Creative Commons
BY
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ISBN 9788896354599
BIOLOGIA C3
Biologia C3
Manuale di Biologia per la secondaria di secondo grado
Autori
prima stesura: Loredana Palumbo
revisione dei contenuti: Anna Rainone
revisione del testo: Elisabetta Leonetti
coordinatore editoriale: Antonio Bernardo
immagini realizzate da Ginger Lab - www.gingerlab.it
© Matematicamente.it
www.matematicamente.it - [email protected]
Febbraio 2014
ISBN 9788896354599
Progetto Educationalab
Mobility IT srl
Questo libro è rilasciato con licenza
Creative Commons BY
Ultima revisione 28.02.2014
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BIOLOGIA C3
Presentazione
Questo ebook fa parte di una collana di ebook con licenza Creative
Commons per la scuola. Il titolo Biologia C3 vuole indicare che il
progetto è stato realizzato in modalità Collaborativa e con licenza
Creative Commons, da cui le tre “C” del titolo. Non vuole essere un
trattato completo sull’argomento ma una sintesi sulla quale l’insegnante
può basare la sua lezione, indicando poi testi e altre fonti per gli
approfondimenti. Lo studente può consultarlo come riferimento
essenziale da cui partire per approfondire. In sostanza l’idea è stata
quella di indicare il nocciolo essenziale della disciplina, nocciolo
largamente condiviso dagli insegnanti. La licenza Creative Commons
scelta permette non solo di fruire liberamente l’ebook ma anche di
modificarlo e personalizzarlo secondo le esigenze dell’insegnante e
della classe.
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BIOLOGIA C3
Indice
Presentazione .......................................................................................... 3
1. Il trasporto attraverso la membrana plasmatica .................................. 8
1.1 La membrana plasmatica .............................................................. 8
1.2 Il trasporto passivo ...................................................................... 10
1.3 Il trasporto attivo ......................................................................... 18
Approfondimenti ............................................................................... 22
2. Il metabolismo cellulare .................................................................... 23
2.1 Catabolismo e anabolismo .......................................................... 23
2.2 L’energia ..................................................................................... 25
2.3 ATP: il trasportatore dell’energia ............................................... 26
2.4 Gli enzimi: catalizzatori biologici ............................................... 27
2.5 La respirazione cellulare ............................................................. 31
2.6 La cattura dell’energia attraverso la fotosintesi .......................... 44
Approfondimenti ............................................................................... 47
3. La divisione cellulare ........................................................................ 48
3.1 Finalità della divisione cellulare ................................................. 48
3.2 I cromosomi ................................................................................ 50
3.3 Il ciclo cellulare........................................................................... 53
3.4 Mitosi .......................................................................................... 56
3.5 Citodieresi ................................................................................... 60
3.6 Divisione cellulare nelle cellule procariote................................. 60
3.7 Regolazione del meccanismo di divisione cellulare ................... 61
3.8 Riproduzione agamica e gamica ................................................. 63
3.9 Meiosi ......................................................................................... 65
3.10 Un errore durante la meiosi....................................................... 69
3.11 Mitosi e meiosi a confronto ...................................................... 70
Approfondimenti ............................................................................... 72
4. L’ereditarietà ..................................................................................... 73
4.1 Eredità per mescolanza ed eredità particolata ............................. 73
4.2 Gli esperimenti di Mendel .......................................................... 73
4.3 Le leggi di Mendel ...................................................................... 77
4.4 Fenomeni ereditari complessi ..................................................... 86
4.5 La teoria cromosomica dell’ereditarietà ..................................... 88
Approfondimenti ............................................................................... 90
5. Struttura e duplicazione del DNA ..................................................... 91
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BIOLOGIA C3
5.1 Il DNA e il materiale genetico .................................................... 91
5.2 La struttura della molecola del DNA .......................................... 94
5.3 Duplicazione del DNA ................................................................ 98
5.4 La funzione dei geni.................................................................. 102
5.5 Il codice genetico ...................................................................... 104
5.6 RNA messaggero ...................................................................... 107
Approfondimenti ............................................................................. 108
6. La sintesi proteica ........................................................................... 110
6.1 Trascrizione............................................................................... 110
6.2 Traduzione ................................................................................ 115
6.3 Mutazioni geniche ..................................................................... 117
Approfondimenti ............................................................................. 120
7. I tessuti cellulari .............................................................................. 121
7.1 Dalla cellula all’organismo ....................................................... 121
7.2 Tessuti epiteliali ........................................................................ 121
7.3 Tessuti connettivi ...................................................................... 122
7.4 Tessuti muscolari ...................................................................... 123
7.5 Tessuto nervoso ........................................................................ 124
8. Sistemi e apparati ............................................................................ 125
8.1 Il sistema tegumentario ............................................................. 126
8.2 L’apparato scheletrico ............................................................... 128
8.3 L’Apparato muscolare .............................................................. 131
9. Nutrizione e apparato digerente ...................................................... 137
9.1 Il cibo come fonte di energia .................................................... 137
I carboidrati ................................................................................. 139
I lipidi .......................................................................................... 140
Le proteine .................................................................................. 141
Le Vitamine ................................................................................ 143
I Minerali .................................................................................... 145
9.2 Rischi legati all’alimentazione sbagliata .................................. 146
9.3 Apparato digerente .................................................................... 148
Approfondimenti ............................................................................. 156
10. La circolazione e la respirazione................................................... 157
10.1 Le componenti del sangue ...................................................... 157
10.2 La circolazione in sistemi aperti o chiusi ................................ 163
10.3 Sistema circolatorio ................................................................ 166
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BIOLOGIA C3
10.4 Malattie cardiache ................................................................... 168
10.5 Circolazione linfatica .............................................................. 169
10.6 Apparato respiratorio .............................................................. 170
Approfondimenti ............................................................................. 176
11. Il Sistema immunitario .................................................................. 177
11.1 La difesa contro i microrganismi patogeni ............................. 177
11.2 Risposta immunitaria mediata da anticorpi............................. 181
11.3 Risposta immunitaria mediata da cellule ................................ 184
11.4 Malattie legate al mal funzionamento del sistema immunitario
......................................................................................................... 185
11.5 I Gruppi sanguigni .................................................................. 187
11.6 Vaccinazione e sieroterapia .................................................... 190
Approfondimenti ............................................................................. 192
12. Il sistema endocrino ...................................................................... 193
12.1 I messaggeri chimici ............................................................... 193
12.2 Il sistema endocrino ................................................................ 196
Approfondimenti ............................................................................. 206
13. Il sistema escretore ........................................................................ 207
13.1 Il sistema escretore .................................................................. 207
13.2 Reni ......................................................................................... 210
13.3 Ureteri, vescica urinaria e uretra ............................................. 214
13.4 Insufficienza renale ................................................................. 214
14. Il sistema nervoso ......................................................................... 217
14.1 Il sistema nervoso ................................................................... 217
14.2 Propagazione dell’impulso nervoso ........................................ 220
14.3 Sinapsi ..................................................................................... 224
14.4 Il sistema nervoso centrale ...................................................... 226
14.5 Il sistema nervoso periferico ................................................... 232
14.6 I recettori ................................................................................. 236
Approfondimenti ............................................................................. 243
15. Riproduzione e sviluppo ............................................................... 244
15.1 Riproduzione e sviluppo ......................................................... 244
15.2 Apparato riproduttore maschile .............................................. 245
15.3 Apparato riproduttore femminile ............................................ 248
15.4 Ciclo mestruale ....................................................................... 251
15.5 Fecondazione .......................................................................... 254
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BIOLOGIA C3
15.6 Sviluppo embrionale ............................................................... 255
15.7 Metodi contraccettivi .............................................................. 259
15.8 Tecniche per aumentare la fertilità ......................................... 262
Approfondimenti ............................................................................. 264
Indice delle figure e fonti ................................................................ 265
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1. Il trasporto attraverso la membrana plasmatica
1.1 La membrana plasmatica
Tutte le cellule sono rivestite da membrane plasmatiche che svolgono
diverse funzioni:
separare l’interno della cellula, ambiente intracellulare o citosol,
dall’esterno, ambiente extracellulare;
regolare gli scambi tra l’esterno e l’interno della cellula
consentendo l’entrata dei materiali utili alla cellula, come ad
esempio le sostanze nutritive e la fuoriuscita di sostanze di rifiuto
prodotte dal metabolismo cellulare;
riconoscere le altre cellule, ad esempio quelle dannose, come i
microrganismi patogeni;
assicurare sostegno alla cellula;
ricevere i segnali prodotti da ormoni e neurotrasmettitori che
inducono nella cellula una risposta metabolica.
All’interno della cellula vi sono anche altre membrane che circondano
gli organuli cellulari (nucleo, mitocondri, reticolo endoplasmatico,
apparato di Golgi ecc.), che svolgono le stesse funzioni della membrana
plasmatica e hanno composizione simile.
Osservando una cellula al microscopio elettronico è possibile analizzare
la struttura della membrana plasmatica, costituita da un doppio strato
fosfolipidico dove ogni molecola di fosfolipide è formata da una testa
idrofila polare (solubile nei composti polari come ad esempio l’acqua)
ed è composta anche da un gruppo fosfato e da due code idrofobe
apolari (non solubili in acqua ma solubile nei composti apolari)
costituite da due acidi grassi. I fosfolipidi, in presenza di acqua si
organizzano spontaneamente e formano un doppio strato, dove uno
aderisce all’altro tramite le code idrofobe mentre le teste idrofile sono
disposte all’esterno e rivolte verso gli ambienti acquosi, ovvero
l’ambiente extracellulare e quello endocellulare.
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BIOLOGIA C3
Membrana plasmatica
All’interno del doppio strato fosfolipidico si inseriscono delle proteine
che possono essere estrinseche o periferiche ed intrinseche o integrali.
Le proteine estrinseche si trovano sulla superficie esterna o interna
della membrana, alcune di esse si legano con molecole di carboidrati
formando le glicoproteine che sporgono dalla superficie della
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BIOLOGIA C3
membrana e fungono da recettori per ormoni. Grazie ad esse è inoltre
possibile riconoscere cellule estranee come microrganismi patogeni che
devono necessariamente restare fuori dalla cellula.
Le proteine intrinseche, sono completamente immerse nel doppio
strato fosfolipidico e alcune di esse fungono da canali per il passaggio
di sostanze all’interno o all’esterno della cellula.
Un altro componente presente solo nella membrana plasmatica delle
cellule animali è il colesterolo, che serve a dare sostegno e flessibilità
alla cellula, infatti a basse temperature il colesterolo impedisce
l’irrigidimento della membrana mentre ad elevate temperature
impedisce che diventi troppo fluida. Il sostegno viene assicurato, oltre
che dal colesterolo, da proteine presenti sulla superficie interna della
membrana cellulare che si uniscono al citoscheletro conferendo stabilità
alla cellula mentre nelle cellule vegetali il sostegno viene assicurato
dalla parete cellulare.
La membrana plasmatica è quindi una struttura resistente ma nello
stesso tempo flessibile, ha una consistenza oleosa ed è definita dai
biologi una struttura a mosaico fluido. Infatti è costituita da proteine
distribuite come pezzi di un mosaico nel doppio strato fosfolipidico e
fluida perché le proteine possono muoversi al suo interno.
La membrana plasmatica, come abbiamo visto precedentemente, regola
il passaggio delle sostanze che entrano e che escono dalla cellula, essa è
selettivamente permeabile nel senso che non lascia entrare facilmente
tutte le sostanze. Alcune, soprattutto quelle di dimensioni maggiori e
non solubili ai lipidi, devono entrare con meccanismi che richiedono un
consumo di energia come il trasporto attivo, mentre le sostanze di
dimensioni più piccole possono essere trasportate fuori e dentro la
cellula tramite meccanismi che non richiedono consumo di energia
come la diffusione e l’osmosi.
1.2 Il trasporto passivo
All’interno della cellula devono poter entrare sostanze (ossigeno, acqua,
amminoacidi, zuccheri, grassi) necessarie a ricevere energia e svolgere
tutte le funzioni vitali e devono fuoriuscire le proteine prodotte
all’interno della cellula e le sostanze di rifiuto, come anidride carbonica
e urea.
10
BIOLOGIA C3
Le molecole inorganiche di piccole dimensioni come l’ossigeno,
l’anidride carbonica e l’acqua attraversano la membrana plasmatica
tramite meccanismi che non richiedono il consumo di energia ovvero la
diffusione semplice e l’osmosi.
Diffusione semplice
La membrana plasmatica è permeabile all’acqua e all’anidride
carbonica pertanto si lascia facilmente attraversare da queste molecole
inorganiche. L’ossigeno entra all’interno della cellula attraversando
delle piccole aperture temporanee, generate dalla fluidità dei fosfolipidi
e delle proteine, in maniera spontanea e secondo il gradiente di
concentrazione, cioè passando da una regione in cui è maggiormente
concentrato (ambiente esterno) verso una regione in cui è presente in
concentrazione minore (ambiente endocellulare). Questo passaggio va
avanti fino al raggiungimento dell’equilibrio, cioè fino a quando la sua
concentrazione all’esterno è uguale alla concentrazione all’interno della
cellula. Si tratta però di un equilibrio dinamico ovvero le molecole di
ossigeno continuano a muoversi ma la quantità di quelle che entrano è
uguale alla quantità di quelle che escono.
Anche l’anidride carbonica, prodotta dalle reazioni cellulari, segue il
meccanismo di diffusione semplice ma fuoriesce dalla cellula, in quanto
la sua concentrazione è più elevata all’interno rispetto all’esterno.
Seguendo lo stesso meccanismo entrano nella cellula molecole di
dimensioni maggiori rispetto ai gas (ossigeno ed anidride carbonica),
queste molecole sono però liposolubili (solubili nei lipidi) come ad
esempio gli ormoni steroidei.
11
BIOLOGIA C3
Trasporto per diffusione semplice di gas o sostanze liposolubili di
piccole dimensioni
Il meccanismo di diffusione semplice può essere accelerato da diversi
fattori, come la temperatura (elevate temperature inducono le molecole
a diffondersi più velocemente), la dimensione delle particelle (più sono
piccole e più velocemente si diffondono), il gradiente di concentrazione
(maggiore è la differenza di concentrazione di una sostanza e maggiore
sarà la velocità di diffusione).
Osmosi
La membrana plasmatica che è semipermeabile lascia passare l’acqua
ma non le sostanze in essa disciolte (soluto). Il meccanismo di
passaggio spontaneo dell’acqua da una regione a elevata concentrazione
di acqua (cioè una regione dove la concentrazione di soluto è bassa)
verso una a bassa concentrazione (cioè una regione a elevata
concentrazione di soluto) è definito osmosi. Tale passaggio continua
fino al raggiungimento dell’equilibrio dinamico, detto equilibrio
osmotico, per il quale la quantità di acqua che entra all’interno della
cellula è identica a quella che ne fuoriesce.
12
BIOLOGIA C3
Osmosi
Per comprendere meglio il fenomeno dell’osmosi supponiamo di avere
in un recipiente due soluzioni, la prima con elevata quantità di soluto
(ipertonica), quindi più concentrata, e l’altra con bassa quantità di
soluto (ipotonica), quindi meno concentrata, separate da una membrana
semipermeabile. Supponiamo che la soluzione ipertonica sia una
soluzione zuccherina molto concentrata mentre quella ipotonica sia una
soluzione zuccherina molto diluita; se la membrana è semipermeabile
lascerà passare facilmente le molecole d’acqua ma non le molecole di
zucchero che presentano dimensioni maggiori. L’equilibrio verrà
raggiunto attraverso un particolare tipo di diffusione ovvero facendo
passare le molecole d’acqua dalla soluzione ipotonica verso quella
ipertonica in modo da diluire la concentrazione di zucchero. Le due
soluzioni avranno la stessa concentrazione di molecole di zucchero e
saranno isotoniche; la soluzione ipertonica come conseguenza
aumenterà di volume.
13
BIOLOGIA C3
È possibile impedire il passaggio d’acqua da una soluzione ipotonica a
una ipertonica esercitando una pressione sulla soluzione ipertonica che
è detta pressione osmotica.
L’osmosi è un fenomeno estremamente importante per la vita di tutti gli
organismi viventi unicellulari e pluricellulari, vegetali e animali. Una
cellula per vivere e per svolgere tutte le funzioni vitali ha
necessariamente bisogno di regolare, al suo interno, la quantità d’acqua.
Infatti una elevata quantità d’acqua potrebbe diluire troppo i contenuti
cellulari causando danni alle reazioni cellulari mentre una bassa
quantità d’acqua potrebbe non diluire la quantità di sostanze di scarto
prodotte dalle reazioni cellulari.
In base all’ambiente in cui una cellula vive, può assumere oppure
eliminare acqua attraverso il meccanismo dell’osmosi.
Una cellula animale può vivere in un ambiente ipertonico, è il caso delle
cellule degli organismi marini che vivono in un ambiente ad elevata
concentrazione di sali, oppure in un ambiente ipotonico come ad
esempio le cellule di un organismo che vive in acqua dolce.
Una cellula animale immersa in un ambiente ipertonico rispetto al
citoplasma cellulare perderà acqua e tenderà a raggrinzirsi ma le cellule
degli organismi che vivono naturalmente in acque ipertoniche avranno
degli adattamenti fisiologici per evitare questa condizione. Una cellula
animale immersa in un ambiente ipotonico rispetto al suo citoplasma,
tenderà a far entrare acqua al suo interno e ciò provocherà un aumento
del suo volume e se non riuscirà ad eliminare l’eccesso d’acqua
scoppierà. Tale fenomeno è detto lisi cellulare.
Le cellule degli organismi che vivono in acque ipotoniche metteranno
in atto degli adattamenti fisiologici per evitare questa condizione.
Infine una cellula animale immersa in una soluzione isotonica rispetto
al suo citoplasma rimarrà intatta, non subirà cioè nessun cambiamento
del suo volume in quanto la quantità di acqua che entra per osmosi sarà
uguale alla quantità che esce.
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BIOLOGIA C3
Effetto della pressione osmotica sulle cellule del sangue in funzione
della tonicità della soluzione
L’osmosi nelle cellule vegetali presenta una diversa reazione della
cellula dovuta alla presenza della parete cellulare, assente invece nelle
cellule animali, quando viene immersa in una soluzione ipertonica o
ipotonica.
Quando una cellula vegetale viene immersa in una soluzione ipertonica
essa per osmosi tenderà a perdere acqua dal vacuolo quindi
raggrinzisce, il citoplasma si stacca dalla parete cellulare e la cellula va
incontro a plasmolisi, quindi si avrà l’appassimento della pianta.
Se una cellula vegetale viene immersa in una soluzione ipotonica allora
l’acqua tenderà ad entrare all’interno del vacuolo della cellula
provocandone un aumento del volume che eserciterà una pressione sulla
membrana plasmatica questa verrà trasmessa alla parete cellulare
(pressione di turgore) rendendo la cellula turgida. La cellula vegetale a
differenza di quella animale non scoppia in quanto la parete cellulare
esercita una pressione opposta alla pressione di turgore impedendo un
ulteriore aumento di volume del vacuolo e quindi impedendo l’ulteriore
entrata di acqua. Infine se la cellula vegetale viene immersa in una
soluzione isotonica si comporta esattamente come la cellula animale.
15
BIOLOGIA C3
Effetto dell’osmosi nelle cellule vegetali
Diffusione facilitata
Le cellule hanno bisogno di scambiare con l’ambiente esterno molecole
inorganiche (ossigeno, anidride carbonica, acqua …) e molecole
organiche (amminoacidi, glucosio …), sostanze di rifiuto (urea …).
Tutte queste sostanze sono idrosolubili, cioè solubili in acqua, non
riescono ad attraversare la membrana plasmatica in quanto costituita da
fosfolipidi, pertanto hanno bisogno di un aiuto che viene loro fornito da
proteine trasportatrici di membrana, dette carrier.
Il meccanismo di trasporto di queste sostanze è detto diffusione
facilitata. Un esempio è l’ingresso della molecola di glucosio
all’interno della cellula, che tende ad entrare in quanto generalmente la
sua concentrazione è maggiore all’esterno rispetto all’interno della
cellula, per entrare si lega a specifiche proteine di membrana
provocando un cambiamento di forma della proteina che ne consente
l’ingresso. Successivamente le proteine ritornano alla forma originaria.
Il passaggio avviene comunque secondo gradiente, ovvero da un
ambiente in cui è maggiormente concentrato verso uno in cui è meno
concentrato, pertanto non vi è consumo di energia.
Non tutte le proteine di membrana cambiano forma per consentire
l’attraversamento della membrana, alcune infatti presentano dei canali
idrofili che consentono il passaggio del soluto secondo gradiente di
concentrazione. Altre invece non cambiano forma ma restano aperte in
modo da consentire il passaggio.
16
BIOLOGIA C3
Riassumendo tutte le sostanze idrosolubili possono attraversare la
membrana plasmatica grazie alla presenza di proteine trasportatrici che
ne consentono il passaggio secondo gradiente, fino al raggiungimento
dell’equilibrio. Questo passaggio prende il nome di diffusione
facilitata.
Modello della diffusione facilitata. La proteina di
membrana con funzione di carrier può cambiare
conformazione in seguito al legame con una molecola di
soluto esterna, che poi viene rilasciata all’interno della
cellula. Successivamente la proteina riacquista la forma
originale, orientata verso l’esterno, ed è pronta a legare
un’altra molecola di soluto. Poiché il tutto avviene senza
apporti di energia, il soluto continuerà a penetrare soltanto
finché la concentrazione esterna resterà superiore a quella
interna.
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BIOLOGIA C3
1.3 Il trasporto attivo
Una cellula ha bisogno di far passare al suo interno ioni o altre sostanze
che si trovano in concentrazione minore rispetto all’ambiente esterno
oppure di trasportare all’esterno sostanze di rifiuto che presentano una
concentrazione maggiore all’interno della cellula. Le cellule devono
pertanto mantenere per alcuni soluti concentrazioni elevate al loro
interno, per altri soluti concentrazioni elevate al loro esterno.
Ad esempio le cellule del fegato devono mantenere elevata la
concentrazione di glucosio al loro interno perché dopo averlo
condensato in glicogeno, lo trattengono fino a che l’organismo non ne
avrà bisogno. Siccome il glucosio in questa situazione è maggiormente
presente all’interno della cellula, esso tenderebbe, secondo gradiente, a
fuoriuscire. Esistono invece dei meccanismi, come le pompe chimiche,
che consentono alle cellule di mantenere la differenza di concentrazione
tra l’ambiente interno ed esterno.
Tutte le sostanze che entrano o escono dalla cellula contro gradiente,
cioè passando da una regione a bassa concentrazione verso una ad alta
concentrazione, consumano energia. Tale energia viene fornita
dall’ATP (adenosintrifosfato), una molecola che si forma durante la
respirazione mitocondriale. Il passaggio delle sostanze, attraverso la
membrana plasmatica, contro gradiente, prende il nome di trasporto
attivo.
Il trasporto attivo consente quindi alle cellule di mantenere una
differenza di concentrazione per alcuni soluti, tra l’ambiente interno ed
esterno, senza la quale la cellula non potrebbe restare in vita. Uno dei
meccanismi di trasporto attivo è la pompa sodio-potassio, attraverso la
quale la cellula riesce a mantenere elevata la concentrazione di ioni
potassio (K+) al suo interno ed elevata la concentrazione di ioni sodio
(Na+) nell’ambiente esterno.
18
BIOLOGIA C3
Pompa sodio-potassio
In queste condizioni gli ioni dovrebbero seguire il loro gradiente di
concentrazione, in particolare gli ioni potassio dovrebbero dirigersi
verso l’esterno della cellula mentre gli ioni sodio verso l’interno, a
regolare il passaggio secondo gradiente intervengono delle proteine di
membrana e la pompa sodio-potassio, che consente il passaggio degli
ioni contro gradiente.
Gli ioni sodio presenti nel citoplasma della cellula si legano ad una
proteina di trasporto, l’ATP fornisce energia alla proteina e le cede un
gruppo fosfato, in questo modo la proteina cambia la propria forma e si
apre verso l’ambiente esterno lasciando fuoriuscire gli ioni. Gli ioni
potassio all’esterno della cellula si legano alla proteina, il gruppo
fosfato si stacca dalla proteina inducendo un cambiamento di forma che
consente l’ingresso di tali ioni e il rilascio verso l’interno della cellula.
Nel caso precedentemente descritto la pompa sodio - potassio trasporta
due tipi di ioni in direzioni opposte, uno verso l’esterno e uno verso
l’interno, esistono però meccanismi di trasporto attivo in cui le proteine
consentono il passaggio di una sola sostanza attraverso la membrana
plasmatica e in un'unica direzione (uniporto) oppure proteine che
consentono il passaggio di due sostanze ma nella stessa direzione
(simporto). Se invece due soluti sono portati contemporaneamente o in
successione, ma in direzioni opposte si dice antiporto, proprio come la
pompa sodio-potassio.
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BIOLOGIA C3
Alcune delle possibilità di movimento di molecole tra
citoplasma (1) e spazio extracellulare (2). Trasporto
passivo: A. Diffusione, B. Diffusione facilitata. Trasporto
attivo: D. Trasporto primario (contro gradiente), C.-E.
Trasporto secondario: C. Uniporto, E. Simporto,
Esocitosi/Endocitosi: F., G. Esocitosi
Trasporto mediante vescicole
Un'altra forma di trasporto attivo è rappresentata dal trasporto per
mezzo di vescicole, utilizzato quando le sostanze che devono
attraversare la membrana cellulare sono di dimensioni maggiori. Esse
verranno introdotte all’interno della cellula mediante il meccanismo di
endocitosi mentre usciranno attraverso il meccanismo di esocitosi.
L’endocitosi consiste nell’invaginazione della membrana plasmatica,
consentita dalla fluidità da cui è caratterizzata la membrana (struttura a
mosaico fluido), grazie a questa si vengono a formare delle vescicole
nelle quali verranno inserite le sostanze da introdurre all’interno della
cellula. Esistono tre tipi di endocitosi: la fagocitosi, la pinocitosi e
l’endocitosi mediata da recettori.
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BIOLOGIA C3
Trasporto mediante vescicole
La fagocitosi inizia con l’invaginazione della membrana plasmatica
che provoca la formazione di una vescicola all’interno della quale
verranno inserite sostanze solide di grandi dimensioni. In seguito la
vescicola si stacca e migra verso l’interno della cellula mentre la
membrana plasmatica si richiude; la vescicola verrà aggredita dai
lisosomi che contengono degli enzimi, i quali digeriscono il materiale
presente all’interno della vescicola stessa.
I globuli bianchi del sangue utilizzano la fagocitosi per inglobare al
loro interno e quindi distruggere i microrganismi patogeni
potenzialmente pericolosi per la salute. Questo meccanismo viene
utilizzato anche dagli organismi unicellulari come le ameba per
inglobare al loro interno il materiale di cui si nutrono.
La pinocitosi è un meccanismo simile all’endocitosi solo che
all’interno delle vescicole viene inserito liquido extracellulare costituito
da acqua e alcune sostanze in essa disciolte.
Infine abbiamo l’endocitosi mediata da recettori, in cui le molecole
presenti all’esterno della cellula si legano a specifici recettori (proteine)
presenti sulla membrana plasmatica.
Questa si invagina formando la vescicola che si distacca e migra nel
citoplasma. In questo caso particolare di endocitosi, all’interno della
cellula entrano sostanze specifiche utili alla cellula, come nutrienti.
21
BIOLOGIA C3
Attraverso questo meccanismo è possibile regolare la quantità di
colesterolo presente nel sangue infatti le cellule presentano recettori per
il colesterolo, che si lega ai recettori, viene inglobato e poi digerito.
Il meccanismo di esocitosi invece consiste nel liberare verso l’esterno le
particelle di grosse dimensioni. Il trasporto avviene in maniera inversa
all’endocitosi ovvero i materiali da liberare che possono essere proteine,
ormoni o sostanze di rifiuto prodotti all’interno della cellula, sono
presenti all’interno di vescicole che migrano verso la membrana
plasmatica e si fondono con essa liberando all’esterno il loro contenuto.
Approfondimenti
Animazione del funzionamento della pompa protonica
http://www.1lec.com/Biochemistry/Proton%20Pump/index.html
La pompa sodio potassio, video
http://www.khanacademy.org/science/biology/humanbiology/v/correction-to-sodium-and-potassium-pumpvideo?playlist=Biology
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BIOLOGIA C3
2. Il metabolismo cellulare
2.1 Catabolismo e anabolismo
Una cellula svolge molte attività nel corso della sua vita, essa infatti
cresce, si riproduce e svolge specifiche funzioni. Tutte le attività che
svolge si basano su reazioni chimiche e l’insieme di tali reazioni prende
il nome di metabolismo cellulare.
Il termine metabolismo significa “trasformazione”, ovvero l’insieme
delle trasformazioni alle quali vengono sottoposte le sostanze che
entrano nella cellula per essere demolite e dalla cui demolizione la
cellula ricava energia oppure sintetizza nuove sostanze.
Le reazioni metaboliche sono quindi di due tipi, reazioni di demolizione
(catabolismo) e reazioni di sintesi (anabolismo).
Il catabolismo è l’insieme delle reazioni di demolizione delle sostanze
organiche complesse che vengono trasformate in sostanze più semplici
con liberazione di energia, come ad esempio i carboidrati che vengono
demoliti per ricavare energia. L’energia che viene liberata in seguito
alla rottura dei legami chimici che tengono uniti gli atomi delle
molecole delle sostanze organiche è energia chimica. Questa energia
verrà utilizzata per svolgere tutte le attività cellulari.
L’anabolismo è l’insieme delle reazioni di sintesi di molecole
complesse a partire da molecole semplici che per avvenire richiedono
energia, ad esempio la sintesi delle proteine dove i singoli amminoacidi
(molecole semplici) vengono uniti per formare le proteine (molecole
complesse).
23
BIOLOGIA C3
Metabolismo
Tutte le reazioni che avvengono con liberazione di energia vengono
chiamate reazioni esoergoniche, come ad esempio le reazioni
cataboliche mentre quelle che avvengono con consumo di energia
vengono chiamate reazioni endoergoniche come ad esempio le
reazioni anaboliche.
Le reazioni esoergoniche avvengono spontaneamente mentre la maggior
parte delle reazioni chimiche richiede energia per realizzarsi. Affinché
una reazione avvenga, le sostanze di partenza ovvero quelle che devono
reagire (reagenti) devono essere instabili, condizione che permette loro
di rompere facilmente i propri legami e di trasformarsi in prodotti, i
reagenti necessitano pertanto di energia per diventare instabili e tale
energia prende il nome di energia di attivazione.
24
BIOLOGIA C3
Le reazioni metaboliche in molti casi sono accoppiate ovvero l’energia
liberata da una reazione esoergonica viene utilizzata da una reazione
endoergonica e così via lungo una sequenza di reazioni collegate tra
loro che prende il nome di via metabolica. Queste reazioni molto
spesso avvengono in parti diverse della cellula pertanto è necessario
trasportare l’energia da una reazione esoergonica a una endoergonica,
ciò avviene grazie ad una particolare molecola chiamata
adenosintrifosfato o ATP.
2.2 L’energia
Tutte le reazioni chimiche comportano una trasformazione di energia.
L’energia è definita come la capacità di compiere un lavoro e può
essere potenziale oppure cinetica. L’energia potenziale è l’energia
posseduta da un corpo che occupa una determinata posizione; può
essere trasformata in energia cinetica ovvero in energia di movimento.
Un sasso in bilico su un pendio possiede energia potenziale che si
trasformerà in energia cinetica quando rotolerà lungo il pendio.
Un altro esempio di trasformazione dell’energia è l’energia chimica
presente nei legami chimici (energia potenziale) di una molecola di
ATP, energia che può essere liberata rompendo i legami.
L’energia quindi può convertirsi da energia potenziale ad energia
cinetica e viceversa, ma durante queste trasformazioni una parte
dell’energia viene completamente perduta sotto forma di calore,
anch’esso una forma di energia.
La disciplina fisica che studia le trasformazioni energetiche prende il
nome di termodinamica.
Il primo principio della termodinamica afferma che l’energia non
può essere creata né distrutta ma soltanto trasformata da una forma
all’altra, quindi la quantità di energia presente nell’Universo resta
sempre costante. Ad esempio le piante trasformano l’energia solare in
energia chimica attraverso il processo di fotosintesi, la parte di energia
che non viene convertita in energia chimica si trasforma in calore. Allo
stesso modo durante la respirazione cellulare gli zuccheri vengono
bruciati per produrre energia che viene utilizzata per le attività cellulari
e in parte dispersa come calore.
25
BIOLOGIA C3
Le trasformazioni energetiche avvengono in una direzione precisa, dal
secondo principio della termodinamica è possibile infatti prevedere la
direzione di una reazione. Esso afferma che qualsiasi sistema tende a
trasformarsi in un sistema meno ordinato, quindi le trasformazioni
energetiche comportano un aumento del disordine (entropia) del
sistema. Poiché parte dell’energia viene dispersa sottoforma di calore e
una parte di questa non può essere riconvertita in lavoro la
trasformazione porta verso una forma più ordinata di energia.
2.3 ATP: il trasportatore dell’energia
L’energia che viene liberata nelle reazioni esoergoniche viene
immagazzinata all’interno dei legami chimici di una particolare
molecola, l’adenosintrifostato (ATP). L’ATP è un nucleotide, una
molecola formata da una base azotata (l’adenina), da uno zucchero a 5
atomi di carbonio (il ribosio) e da tre gruppi fosfato. L’energia è
immagazzinata all’interno dei legami che tengono uniti i tre gruppi
fosfati.
NH2
O
O
O
P
P
P
HO
O
OH
O
OH
N
N
H
N
O
O
OH
H
H
H
trifosfato
N
H
adenina
H
OH
OH
ribosio
Molecola dell’ATP
I gruppi fosfato sono tutti carichi negativamente e siccome cariche
elettriche dello stesso segno si respingono hanno bisogno di molta
energia per restare uniti.
Le cellule sintetizzano ATP a partire da adenosindifosfato (ADP), una
molecola simile all’ATP ma con soli due gruppi fosfato. L’energia che
viene liberata nelle reazioni esoergoniche in particolare dalla
26
BIOLOGIA C3
demolizione delle molecole del glucosio, servirà per legare un gruppo
fosfato alla molecola di ADP con formazione di ATP.
In presenza di acqua (idrolisi) si ha la rottura del legame del gruppo
fosfato terminale dell’ATP con conseguente liberazione dell’energia
che verrà utilizzata dalla cellula per svolgere il lavoro cellulare
(trasporto attivo, osmosi, formazione di proteine, contrazione
muscolare, conduzione dell’impulso nervoso ecc.).
Dalla scissione del gruppo fosfato terminale si ha la formazione della
molecola di ADP, la quale può perdere un altro gruppo fosfato e
trasformarsi in adenosinmonofosfato (AMP) liberando altra energia.
Tale trasformazione avviene quando la cellula ha bisogno di quantità
elevate di energia. L’ADP e l’AMP possono essere ritrasformate in
ATP grazie all’energia proveniente dalle reazioni esoergoniche.
La produzione di ATP deve essere continua per poter soddisfare le
esigenze energetiche della cellula, infatti vengono prodotte circa 10
milioni di molecole di ATP al secondo che vengono trasformate in ADP
e ritrasformate in ATP.
ATP
Ciclo ATP-ADP
Energia
dal cibo
Energia per
il lavoro
cellulare
ADP+
P
.
Ciclo dell’ATP. L’ATP fornisce energia alla cellula scindendosi in ADP
e P (fosfato) che possono riformare ATP
2.4 Gli enzimi: catalizzatori biologici
Le reazioni metaboliche (cataboliche e anaboliche) sono controllate da
enzimi, delle proteine che hanno il compito di catalizzare o meglio
27
BIOLOGIA C3
accelerare le reazioni cellulari, senza essere consumate durante la
reazione.
Affinché una reazione avvenga è necessario che le molecole dei
reagenti si scontrino in modo da rompere i legami chimici per formare
dei nuovi prodotti. Per aumentare la probabilità che le molecole si
scontrino c’è bisogno di fornire energia (energia di attivazione) che può
essere anche termica.
La somministrazione di calore comporta un aumento di temperatura che
provoca un aumento della velocità di tutte le reazioni cellulari portando
l’organismo alla morte. Affinché le reazioni avvengano senza provocare
un eccessivo aumento di temperatura intervengono gli enzimi che
abbassano l’energia di attivazione innescando la reazione.
Diagramma di una reazione catalitica. Mostra l'energia
richiesta a vari stadi lungo l'asse del tempo. I substrati
normalmente necessitano di una notevole quantità di energia
(picco rosso) per giungere allo stato di transizione, onde
reagire per formare il prodotto. L'enzima crea un
microambiente nel quale i substrati possono raggiungere lo
stato di transizione (picco blu) più facilmente, riducendo così
la quantità d'energia richiesta. Essendo più facile arrivare a
28
BIOLOGIA C3
uno stato energetico minore la reazione può avere luogo più
frequentemente e di conseguenza la velocità di reazione sarà
maggiore.
Ad esempio affinché il lattosio, lo zucchero contenuto nel latte, possa
essere scisso in glucosio e galattosio c’è bisogno di uno specifico
enzima, la lattasi, che abbassa l’energia necessaria a far rompere gli
stabili legami esistenti tra le molecole del lattosio consentendo lo
svolgimento della reazione.
Senza gli enzimi gli esseri viventi non potrebbero sopravvivere in
quanto tutte le reazioni biochimiche richiederebbero tempi lunghissimi
per avvenire, infatti si impiegherebbero mesi per digerire il lattosio, per
sintetizzare un ormone, per liberare anidride carbonica dai tessuti
muscolari ecc.
Gli enzimi vengono prodotti all’interno della cellula che attiva solo
quelli di cui ha bisogno, essi possono poi essere rilasciati nell’ambiente
extracellulare e quindi ritrovarsi nei liquidi biologici come sangue,
saliva, succo gastrico ecc.
Gli enzimi sono delle proteine globulari che agiscono in maniera
specifica. Un enzima interviene in poche o una sola reazione metabolica
per accelerarla, per questo esistono migliaia di enzimi per catalizzare le
numerose reazioni metaboliche. L’elevata specificità degli enzimi
deriva dalla presenza di una determinata regione, chiamata sito attivo,
alla quale si lega un substrato ad esso complementare, secondo un
meccanismo chiamato chiave-serratura, in cui il substrato rappresenta
la chiave e l’enzima la serratura. Il substrato in pratica deve possedere
la conformazione giusta per legarsi all’enzima, avvenuto il legame si
forma il complesso substrato-enzima, l’enzima inizia a trasformare
chimicamente il substrato rendendolo instabile e portando alla
formazione dei prodotti, i quali verranno rilasciati.
Alla fine della reazione l’enzima non viene consumato ma avrà la stessa
struttura e composizione precedente alla reazione e quindi sarà di nuovo
disponibile per un nuovo substrato.
Il substrato deve quindi possedere la conformazione giusta per legarsi
all’enzima ma tale conformazione può anche essere acquisita nel
momento in cui il substrato si lega al sito attivo dell’enzima. In questo
29
BIOLOGIA C3
modo l’enzima può modificare lievemente la forma del substrato
rendendolo instabile per accelerare la reazione. I prodotti si
staccheranno dall’enzima il quale ritornerà alla forma iniziale, tale
fenomeno è detto adattamento indotto.
Gli enzimi per poter funzionare bene richiedono condizioni ambientali
favorevoli, come ad esempio una temperatura ed un pH ottimale, la
temperatura non deve essere troppo elevata altrimenti potrebbe
modificare la conformazione dell’enzima non consentendo al substrato
di legarsi. Quando l’enzima altera la propria forma si dice che si è
denaturato, negli esseri umani la temperatura ottimale per gli enzimi è
di circa 37°C.
Il pH dipende invece dall’ambiente in cui si trova l’enzima, ad esempio
gli enzimi digestivi presenti nello stomaco lavorano meglio a pH acido
mentre quelli presenti nell’intestino tenue lavorano meglio a pH
alcalino, anche in questo caso variazioni del pH ottimale comportano la
denaturazione dell’enzima.
Molti enzimi oltre a condizioni ambientali favorevoli richiedono, per
lavorare meglio, l’aiuto di cofattori, composti inorganici (ioni metallici
ad esempio ferro, zinco e rame) oppure organici
Quelli organici, come le vitamine, vengono chiamati coenzimi, essi si
legano al sito attivo dell’enzima rendendolo più efficiente. Al contrario
esistono delle sostanze che invece rallentano o impediscono il
funzionamento degli enzimi, esse sono chiamate inibitori.
Gli inibitori possono essere molecole simili per forma al substrato e
quindi si legano al sito attivo dell’enzima impedendo allo specifico
substrato di legarsi, questo tipo di inibizione è detta inibizione sterica.
Altri inibitori invece sono delle sostanze metalliche che non si legano al
sito attivo dell’enzima ma in un'altra regione modificando però la forma
del sito attivo ed impedendo il legame con il substrato specifico, questo
tipo di inibizione è detta inibizione allosterica. Un esempio di inibitore
allosterico è la penicillina che inibisce l’enzima che i batteri utilizzano
per sintetizzare la parete cellulare provocandone la morte.
Le cellule utilizzano i meccanismi di inibizione per bloccare delle
reazioni metaboliche in quanto la sintesi o la demolizione di molecole
non necessarie in quel momento provocherebbero uno spreco inutile di
energia, pertanto le cellule devono, in base alle proprie esigenze,
30
BIOLOGIA C3
regolare l’attività enzimatica attivando gli enzimi di cui necessitano e
inibendo altri.
Inibizione competitiva. In alto l'enzima svolge la sua funzione
normale; in basso è illustrata l'inibizione competitiva:
substrato ed inibitore competono per il sito attivo.
2.5 La respirazione cellulare
Tutti gli esseri viventi hanno bisogno di energia per sopravvivere.
Abbiamo visto come tutte le reazioni endoergoniche, ovvero le reazioni
metaboliche che per avviarsi necessitano di energia, ricavano questa
energia dalla demolizione delle molecole di ATP. Queste ultime
vengono continuamente prodotte dalle cellule, ma l’energia
immagazzinata al loro interno deriva dalla demolizione di
macromolecole organiche assorbite con l’alimentazione: carboidrati,
proteine e grassi. Queste macromolecole vengono demolite durante il
processo digestivo in molecole più semplici: le proteine in
amminoacidi, i polisaccaridi in monosaccaridi, i grassi in acidi grassi e
glicerolo. Le molecole semplici attraversano la membrana plasmatica e
vengono utilizzate dalla cellula come fonte di energia.
Per liberare l’energia contenuta in tali molecole le cellule eucariote
utilizzano l’ossigeno e attraverso il meccanismo della respirazione
31
BIOLOGIA C3
cellulare riescono a produrre le molecole di ATP e quindi a liberare
l’energia in esse contenuta.
I procarioti aerobi, avendo una struttura cellulare molto semplice, fanno
sì che alcuni passaggi della respirazione aerobica avvengano nel
citoplasma e la catena di trasporto degli elettroni è incorporata nella
membrana plasmatica.
Il meccanismo della respirazione cellulare è differente da quello della
respirazione che avviene negli animali, anche se i due fenomeni sono
ovviamente collegati.
Negli animali attraverso l’inspirazione viene immesso nell’apparato
respiratorio ossigeno che giunge poi al sangue ossigenandolo, il sangue
trasporta poi l’ossigeno alle singole cellule, le quali lo utilizzeranno per
ricavare energia dalle molecole organiche (qui interviene la respirazione
cellulare). Come prodotto di scarto si avrà anidride carbonica che verrà
eliminata con l’espirazione.
Descriviamo ora il meccanismo della respirazione cellulare, e la
conseguente estrazione di energia, a partire da una molecola di
glucosio, anche se l’energia viene ricavata anche da altre molecole
organiche.
Una molecola di glucosio si combina con sei molecole di ossigeno per
formare sei molecole di anidride carbonica e sei di acqua con
liberazione di energia che viene utilizzata per produrre ATP, secondo la
seguente reazione:
C6H12O6 + 6O2
6CO2 + 6H2O + energia
La demolizione del glucosio è un processo lungo e complesso che
avviene in tre tappe fondamentali: la glicolisi, il ciclo di Krebs e la
fosforilazione ossidativa.
Glicolisi
La glicolisi, che letteralmente significa scissione dello zucchero, è la
prima tappa della respirazione cellulare nella quale il glucosio, una
molecola a sei atomi di carbonio, viene scissa in due molecole (a tre
atomi di carbonio) di acido piruvico o piruvato. Avviene nel citoplasma
di tutte le cellule viventi in condizioni anaerobiche, ovvero senza
32
BIOLOGIA C3
bisogno dell’ossigeno, e porta alla produzione di due molecole di ATP.
La formazione delle due molecole di piruvato avviene in maniera
graduale attraverso nove reazioni catalizzate da enzimi:
1) Al sesto atomo di carbonio della molecola di glucosio viene
aggiunto un gruppo fosfato derivante dall’ATP, formando il
glocosio-6-fosfato, questa reazione è catalizzata dall’enzima
esochinasi. In questa fase quindi si ha il consumo di una molecola
di ATP;
2) La molecola di glucosio-6-fosfato viene riorganizzata portando alla
formazione di una molecola di fruttosio-6-fosfato;
3) Alla molecola di fruttosio-6-fosfato viene aggiunto un altro gruppo
fosfato proveniente da un'altra molecola di ATP portando alla
formazione di una molecola di fruttosio-1,6-difosfato. Fino a
questo momento sono state consumate 2 molecole di ATP;
4) Il fruttosio-1,6-difosfato viene scisso in due molecole a tre atomi di
carbonio, gliceraldeide-3-fosfato, ognuna delle quali possiede un
gruppo fosfato;
5) La gliceraldeide-3-fosfato viene ossidata e gli elettroni vengono
trasferiti all’NAD+ che si riduce in NADH, esso trasporta gli
elettroni che in seguito cederà ad un'altra molecola.
Contemporaneamente la gliceraldeide-3-fosfato si lega ad un altro
gruppo fosfato formando l’acido 1,3- difosfoglicerico. Ciò che è
avvenuto per una molecola di gliceraldeide-3-fosfato avverrà anche
per la seconda molecola di gliceraldeide-3-fosfato, alla fine quindi
si formeranno due molecole di NADH e due di acido 1,3difosfoglicerico;
L’NAD (nicotinamide adenina dinucleotide) è una molecola
organica che viene utilizzata dalle cellule per trasportare di elettroni
nelle reazioni di ossidoriduzione;
6) Ogni molecola di acido1,3- difosfoglicerico perde uno dei due
gruppi fosfato portando alla formazione di due molecole di acido 3fosfoglicerico; i due gruppi fosfato ceduti dalle due molecole di
acido1,3- difosfoglicerico si legano rispettivamente a due molecole
di ADP portando alla formazione di due molecole di ATP. Fino a
questo momento quindi sono state consumate due molecole di ATP
e altre due se ne sono formate;
33
BIOLOGIA C3
7) Ogni molecola di acido 3-fosfoglicerico viene riorganizzata
formando due molecole di acido 2- fosfoglicerico;
8) Ogni molecola di acido 2- fosfoglicerico viene ossidata in acido
fosfoenolpiruvico (PEP) con perdita di una molecola di acqua;
9) Ogni molecola di PEP cede il suo gruppo fosfato all’ADP che si
trasforma in ATP mentre il PEP non avendo più il gruppo fosfato si
trasforma in acido piruvico.
Alla fine della glicolisi si formeranno quindi, due molecole di ATP, due
di acido piruvico e due di NADH. In tutte queste reazioni non
interviene l’ossigeno ma l’ossidazione del glucosio avviene grazie al
coenzima NAD+. Questa fase è importante in quanto anche se produce
solo due molecole di ATP esse vengono prodotte in maniera rapida,
pertanto rappresentano una fonte immediata di energia che è
particolarmente utile ad esempio in casi di attività fisica breve ed
intensa, la glicolisi rappresenta inoltre una fase preparatoria alle altre
tappe della respirazione cellulare, le molecole di acido piruvico infatti
entreranno nel mitocondrio dove verranno trasformate all’interno del
ciclo di Krebs.
34
BIOLOGIA C3
Glucoso C6
esochinasi
ATP
ADP
glucosio 6-fosfato C6P
fosfoglucosio
isomerasi
-2 ATP
fruttosio 6-fosfato C6P
ATP
fosfofruttochinasi
ADP
fruttoso 1,6 - bisfosfato
aldolasi
Diidrossiacetone
fosfato
Trioso fosfato
isomerasi
Gliceraldeide
3-fosfato
NAD+ + H+
gliceraldeide
3-fosfato
deidrogenasi
NADH
1,3-bisfosfoglicerato
ATP
fosfoglicerato chinasi
ADP
3-fosfoglicerato
+4 ATP
Fosfoglicero-mutasi
2-fosfoglicerato
Guadagno
di 2 ATP
enolasi
H2O
fosfoenolpiruvato
Piruvato chinasi
ATP
ADP
Piruvato
Glicolisi
35
BIOLOGIA C3
Glicolisi nel citoplasma
Ciclo di Krebs
Le due molecole di acido piruvico, prodotte dalla glicolisi, sono ancora
molto ricche di energia che deve essere liberata, pertanto entrano
all’interno del ciclo di Krebs nel quale subiscono una serie di reazioni
di ossido-riduzione che daranno, come prodotto finale, CO2 ,H2O ed
energia, esse avvengono all’interno dei mitocondri ed in presenza di
ossigeno (fase aerobica della respirazione cellulare).
I mitocondri sono organuli cellulari, sede della respirazione cellulare
(ciclo di Krebs e fosforilazione ossidativa), essi sono formati da due
membrane, una esterna e una interna, la membrana esterna presenta dei
piccoli fori che possono essere attraversati da molecole di grandi
dimensioni, la membrana interna è ripiegata formando delle creste
(creste mitocondriali) dove si trovano numerosi enzimi. Lo spazio
presente tra la membrane esterna e quella interna prende il nome di
spazio intermembrana mentre la membrana interna racchiude uno
36
BIOLOGIA C3
spazio, detto matrice mitocondriale, dove avvengono le reazioni del
ciclo di Krebs catalizzate dai numerosi enzimi in essa presenti.
Schema di un mitocondrio. 1 Membrana interna,2
Membrana esterna, 3 Cresta, 4 Matrice.
Le due molecole di acido piruvico prima di entrare nel ciclo di Krebs
subiscono una reazione intermedia attraverso la quale ogni molecola si
lega al coenzima A trasformandosi in acetil-coenzima A (CoA).
Durante questa reazione l’acido piruvico perde un atomo di carbonio
sotto forma di CO2, due elettroni e due protoni. Gli elettroni vengono
accettati dal NAD+ che si trasforma in NADH. Siccome le molecole di
acido piruvico sono due, si avranno due reazioni intermedie, il prodotto
finale di queste reazioni saranno due molecole di acetil-coenzima A,
due di CO2, che verranno espulse dalla cellula e immesse nella
circolazione sanguigna e due di NADH che giungeranno alla catena di
trasporto degli elettroni.
Se la cellula ha a disposizione una quantità elevata di ATP allora le due
molecole di acetil-coenzima A possono essere utilizzate per sintetizzare
grassi e quindi immagazzinare l’energia, se la cellula invece ha bisogno
di energia entrano nel ciclo di Krebs per sintetizzare nuove molecole di
ATP.
Quando le due molecole di acetil-coenzima A entrano nel ciclo di Krebs
subiscono una serie ciclica di reazioni:
1) L’acetil-coenzima A si lega ad una molecola di acido
ossalacetico, una molecola a quattro atomi di carbonio,
formando una molecola a sei atomi di carbonio, l’acido citrico.
2) L’acido citrico viene ossidato e perde un atomo di carbonio
sotto forma di CO2, due elettroni e due protoni che giungono
37
BIOLOGIA C3
all’NAD+ che si trasforma in NADH che va verso la catena di
trasporto degli elettroni; l’acido citrico si è quindi trasformato in
una molecola a cinque atomi di carbonio, l’acido chetoglutarico.
3) L’acido -chetoglutarico viene ossidato dal NAD+ che si riduce
in NADH, perde un atomo di carbonio sotto forma di CO2 e si
trasforma in una molecola a quattro atomi di carbonio.
4) La molecola a quattro atomi di carbonio viene trasformata in
acido succinico liberando molta energia che servirà ad unire un
gruppo fosfato all’ADP portando alla formazione di una
molecola di ATP.
5) L’acido succinico viene ossidato dal FAD (flavin adenin
dinucleotide), una molecola accettore di elettroni, in acido
malico. Il FAD riceve due protoni e due elettroni riducendosi in
FADH2, che va verso la catena di trasporto degli elettroni.
6) L’acido malico viene ossidato dall’NAD+ , quest’ultimo accetta
gli elettroni e si trasforma in NADH mentre l’acido malico si
trasforma di nuovo in acido ossalacetico che può legarsi di
nuovo con l’acetil- coenzima A e il ciclo ricomincia.
L’acetil-coenzima A quindi viene completamente ossidato durante il
ciclo grazie alla presenza di due molecole NAD e FAD le quali
accettano gli elettroni e li trasportano alla catena di trasporto degli
elettroni. Poiché dalla reazione intermedia, precedente al ciclo di Krebs,
vengono prodotte due molecole di acetil-coenzima A, ogni molecola
verrà ossidata da un ciclo completo di Krebs, quindi i due cicli di Krebs
daranno come prodotto finale sei molecole di NADH, due di FADH e
due di ATP.
La presenza di ossigeno consente di rigenerare le molecole di NAD+ e
FAD, in quanto esso funge da accettore di elettroni provenienti dal
NADH e FADH2, in questo modo il ciclo può ricominciare.
Fosforilazione ossidativa
Dalla glicolisi si sono formate due molecole di ATP e dal ciclo di Krebs
altre due molecole di ATP, ma è in questa terza tappa della respirazione
cellulare che avviene la maggiore produzione di ATP.
38
BIOLOGIA C3
I prodotti finali del ciclo di Krebs sono sei molecole di NADH e due di
FADH, esse migrano alle creste mitocondriali dove è presente la catena
di trasporto degli elettroni alla quale cedono i loro elettroni. A tale
catena giungono anche le due molecole di NADH provenienti dalla
glicolisi e le due molecole di NADH provenienti dalla trasformazione
dell’acido piruvico in acetil-coenzima A. In totale quindi giungono
dieci molecole di NADH e due di FADH.
Gli elettroni attraversano la catena di trasporto e giungono all’ossigeno
per formare acqua (fosforiliazione ossidativa). La catena di trasporto
degli elettroni è formata da proteine chiamate citocromi. Un citocromo
riceve gli elettroni provenienti dall’NADH riducendosi e a sua volta
cede gli elettroni al citocromo successivo che si riduce mentre esso si
ossida. In questo modo gli elettroni passano da un citocromo all’altro
dove ognuno è responsabile della riduzione del citocromo successivo,
fino ad arrivare all’accettore ultimo di elettroni che è l’ossigeno che si
trova nella matrice mitocondriale.
Ogni atomo di ossigeno cattura due elettroni e due protoni formando
una molecola di acqua. Anche le molecole di FADH2 cedono i loro
elettroni però ciò avviene un po’ dopo all’NADH. All’interno dei
citocromi sono situati anche gli enzimi necessari a catalizzare il
trasporto degli elettroni. Il passaggio degli elettroni da un citocromo
all’altro lungo la catena di trasporto di elettroni è accompagnato da una
perdita di energia che viene utilizzata dalla cellula per trasformare
l’ADP in ATP attraverso un processo, chiamato chemiosmosi, scoperto
nel 1961 dal biochimico britannico Peter Mitchell.
In pratica gli elettroni trasferiti lungo la catena di trasporto degli
elettroni liberano energia che viene utilizzata per pompare gli ioni
idrogeno (H+), derivanti dall’ossidazione di NADH, verso lo spazio
intermembrana del mitocondrio. Gli ioni H+ si muovono quindi contro
gradiente di concentrazione sfruttando l’energia liberata lungo la catena
di trasporto degli elettroni.
In questo modo nello spazio intermembrana si accumulano gli ioni H+
che generano una differenza di potenziale elettrochimico tra il
compartimento esterno e la matrice del mitocondrio. Gli ioni H+
tenderanno ad entrare di nuovo nella matrice in quanto seguono il loro
gradiente di concentrazione, l’ingresso nella matrice è consentito grazie
39
BIOLOGIA C3
ad un enzima, l’ATP sintetasi, che agendo libera energia utilizzata per
unire un gruppo fosfato all’ADP formando ATP.
Fosforilazione ossidativa
40
BIOLOGIA C3
Ogni molecola di NADH consente la produzione di tre molecole di
ATP mentre ogni molecola di FADH2 consente la produzione di due
molecole di ATP. Le dieci molecole di NADH che giungono alla catena
di trasporto degli elettroni produrranno trenta molecole di ATP e le due
molecole di FADH2 ne produrranno quattro per un totale di 34
molecole. A queste vanno aggiunte le due molecole di ATP prodotte
dalla glicolisi e le due prodotte dal ciclo di Krebs per un totale di 38
molecole di ATP, alle quali vanno sottratte due molecole di ATP
utilizzate per trasportare l’NADH prodotto dalla glicolisi all’interno
della cellula. In conclusione l’ossidazione del glucosio tramite la
respirazione cellulare porta alla formazione di 36 molecole di ATP, che
per la maggior parte vengono prodotte nella tappa della fosforilazione
ossidativa. Le molecole di ATP così prodotte attraversano la membrana
del mitocondrio e giungono al citoplasma della cellula dove verranno
utilizzate per svolgere tutte le attività cellulari. Attraverso l’idrolisi
delle molecole di ATP si riformeranno le molecole di ADP che
migreranno di nuovo ai mitocondri dove saranno di nuovo ossidate.
Fermentazione
Fin qui abbiamo descritto il meccanismo della respirazione cellulare
dove l’accettore finale degli elettroni era l’ossigeno grazie al quale era
possibile rigenerare le molecole di NAD+ e FAD. Molti organismi
invece sono in grado di ricavare energia dal glucosio senza che questo
41
BIOLOGIA C3
si ossidi completamente e quindi senza l’intervento dell’ossigeno. In
questi organismi avviene una respirazione anaerobica o fermentazione.
Alcuni organismi, come ad esempio i lieviti, sono anaerobi facoltativi,
cioè possono vivere sia in presenza che in assenza di ossigeno, altri
invece sono anaerobi obbligati, come molti batteri, cioè possono vivere
solo in assenza di ossigeno.
Nella respirazione anaerobica le due molecole di acido piruvico,
prodotte dalla glicolisi, non entrano nel ciclo di Krebs ma vengono
convertite in acetaldeide che accetta i due elettroni e un protone
derivante dall’NADH formatosi durante la glicolisi. A questo punto
l’NADH viene trasformato in NAD+ indispensabile per poter svolgere
nuovamente la glicolisi e l’acetaldeide viene trasformato in etanolo
liberando anidride carbonica. Questo processo di fermentazione viene
sfruttato dagli uomini per la produzione del vino, dove i lieviti
utilizzano il glucosio, presente nei chicchi d’uva per ricavare energia.
Attraverso la glicolisi, il glucosio verrà trasformato in acido piruvico e
quest’ultimo in etanolo (alcol etilico) fino a quando la quantità di alcol
raggiunge un livello tanto alto da provocare la morte del lievito. L’acido
piruvico verrà prima trasformato in acetaldeide e poi in etanolo. In
questo passaggio si ha la liberazione di anidride carbonica e tutto il
processo prende il nome di fermentazione alcolica.
Il processo di fermentazione alcolica viene sfruttato anche per la
lievitazione del pane, basta infatti aggiungere il lievito all’impasto, che
utilizzerà gli zuccheri per ricavare energia. Come sottoprodotto della
fermentazione alcolica si produrrà anidride carbonica che è responsabile
della lievitazione dell’impasto mentre l’etanolo prodotto verrà eliminato
durante la cottura.
42
BIOLOGIA C3
f
e
r
m
e
n
t
a
z
i
o
n
e
Fermentazioni
Acido lattico
deidrogenasi
NADH
NAD+
Acido lattico
CH3
CH
OH
C
a
l
c
o
l
i
c
a
O
OH
f
e
r
m
e
n
t
a
z
i
o
n
e
l
a
t
t
i
c
a
Fermentazioni
Negli animali, compreso l’uomo, si può verificare, per alcune cellule,
una momentanea carenza di ossigeno. Se durante un’intensa attività
fisica le cellule muscolari hanno bisogno di molta energia e non
ricevono sufficiente quantità di ossigeno necessaria a produrla,
riusciranno ad ottenerla convertendo l’acido piruvico prodotto dalla
glicolisi in acido lattico. In questo caso è l’acido piruvico che accetta i
due elettroni e i due protoni provenienti dall’NADH e si trasforma in
acido lattico. Questo tipo di fermentazione prende il nome di
fermentazione lattica. L’acido lattico sarà eliminato quando si avrà di
nuovo disponibilità di ossigeno, e sarà riconvertito in acido piruvico.
In conclusione possiamo dire che sia la respirazione aerobica che
anaerobica sono meccanismi che consentono alle cellule di produrre
energia.
43
BIOLOGIA C3
2.6 La cattura dell’energia attraverso la fotosintesi
Tutti gli organismi viventi hanno bisogno di energia e tutti la ottengono
demolendo le molecole organiche nella quale è intrappolata. L’energia
presente all’interno delle molecole organiche deriva da un processo
effettuato dalle piante, la fotosintesi, attraverso il quale le piante
trasformano l’energia solare in energia chimica che viene intrappolata
nei legami chimici delle molecole organiche (glucosio).
Dalla demolizione del glucosio attraverso la respirazione cellulare si
otterrà l’energia necessaria per il lavoro cellulare e per la sintesi di
carboidrati come saccarosio, amido, cellulosa. Attraverso la fotosintesi
è possibile trasformare la luce solare, l’acqua e l’anidride carbonica in
una molecola organica ricca di energia, il glucosio, secondo la seguente
reazione:
6CO2 + 6H2O + energia luminosa
C6H12O6 + 6O2
Gli organismi che riescono a sintetizzare le molecole organiche a partire
dalla luce solare e da sostanze inorganiche presenti nell’ambiente
vengono chiamati autotrofi (piante, alcuni batteri e alcuni protisti) a
differenza degli eterotrofi, ovvero organismi (protozoi, animali e
funghi) che invece ricavano l’energia nutrendosi di altri organismi.
Tutti gli animali, compreso l’uomo, nutrendosi dei vegetali assumono
polisaccaridi dai quali si ricava glucosio, che è la principale fonte di
energia. Pertanto la vita di tutti gli eterotrofi è legata agli autotrofi sia
direttamente, nel senso che si nutrono direttamente di essi sia
indirettamente, nutrendosi di organismi che a loro volta si sono cibati di
autotrofi.
Gli autotrofi non sono importanti soltanto in quanto rappresentano la
fonte primaria di energia ma anche perché attraverso il processo di
fotosintesi liberano nell’atmosfera ossigeno, un gas indispensabile alla
vita.
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BIOLOGIA C3
CO2
H2O
luce
cloroplasto
FASE
FASE
LUMINOSA NADP+ OSCURA
ADP
Catene di
trasporto
di
elettroni elettroni ATP
H+
Ciclo di
Calvin
NADPH
O2
zuccheri
Le due fasi della fotosintesi
La fotosintesi avviene nei cloroplasti, un organulo esclusivamente
vegetale contenuto nelle cellule verdi, ovvero cellule che contengono
pigmenti verdi (clorofilla), e per le piante superiori tali organuli si
trovano soprattutto nelle foglie verdi.
Anche i cloroplasti, come i mitocondri, hanno due membrane separate
da uno spazio detto intermembrana. All’interno vi è un altro spazio
detto stroma in cui sono presenti delle strutture discoidali (tilacoidi)
impilate (grani) che contengono la clorofilla.
La fotosintesi si compone di due fasi, una fase luminosa e una fase
oscura. Nella fase luminosa la luce solare viene catturata dalla clorofilla
che viene in parte trasformata in energia chimica ed in parte utilizzata
per demolire la molecola d’acqua liberando un atomo di ossigeno, due
ioni di idrogeno ed elettroni. Gli atomi di ossigeno si combinano tra di
45
BIOLOGIA C3
loro formando molecole di ossigeno che vengono liberate
nell’atmosfera, mentre gli ioni idrogeno arrivano all’NADP, un
coenzima presente nel cloroplasto, che viene ridotto in NADPH.
La fase oscura, ciclo di Calvin, invece non è legata alla luce ma utilizza
l’energia, prodotta dalla fase luminosa, per fissare l’anidride carbonica
atmosferica la quale viene legata ad un composto a cinque atomi di
carbonio (ribulosio bisfosfato RuBP) formando così un composto a sei
atomi di carbonio che entra nel ciclo di Calvin, una serie ciclica di
reazioni che portano alla formazione di due molecole a tre atomi di
carbonio (fosfogliceraldeide). Parte della fosfogliceraldeide viene
trasferita nel citoplasma della cellula e trasformata in glucosio o in altri
composti organici (grassi o amminoacidi), parte resta nel cloroplasto
per riformare RuBP necessario per far continuare il ciclo di Calvin.
Le reazioni della fase luce dipendente della fotosintesi clorofilliana
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BIOLOGIA C3
Approfondimenti
Animazione del ciclo di Krebs
http://www.science.smith.edu/departments/Biology/Bio231/krebs.html
Zoom dalla cellula fino alla struttura base del DNA, animazione
http://www.molecularlab.it/interactive/filmati/struttura_dna.asp?movie=
true&dsl=true
Catena di trasporto degli elettroni, animazione
http://www.sumanasinc.com/webcontent/animations/content/electrontra
nsport.html
Sintesi delle proteine, video
http://www.youtube.com/watch?v=UtJtE7wcX9M
47
BIOLOGIA C3
3. La divisione cellulare
3.1 Finalità della divisione cellulare
Tutte le cellule che formano un individuo hanno origine da una singola
cellula. Il meccanismo attraverso il quale da una singola cellula (cellula
madre) si originano due cellule figlie prende il nome di divisione
cellulare o riproduzione cellulare. La divisione cellulare consente di
mantenere inalterato il rapporto superficie-volume di una cellula. Una
cellula infatti comunica con l’ambiente esterno attraverso la sua
superficie che deve essere maggiore rispetto al volume per rendere più
efficienti gli scambi (ingresso nella cellula di materiale nutritivo ed
espulsione nell’ambiente esterno delle sostanze di rifiuto). Una cellula
di grandi dimensioni possiede un volume troppo grande rispetto alla sua
superficie, questo causa inefficienza degli scambi con l’ambiente
esterno e ne determina la morte. Una cellula crescendo aumenta di
dimensioni e per evitare di andare incontro alla morte deve
necessariamente dividersi, mantenendo costante il rapporto superficievolume.
La divisione cellulare è un processo molto complesso che avviene sia
negli organismi unicellulari che in quelli pluricellulari ma porta a
risultati differenti.
Gli organismi unicellulari, attraverso la divisione dell’unica cellula di
cui sono costituiti, originano direttamente nuovi individui, ad esempio
una colonia di lieviti si origina dalla divisione di un’unica cellula
madre. Negli organismi pluricellulari invece la divisione cellulare porta
ad un accrescimento dell’individuo e quindi al raggiungimento delle
dimensioni di adulto.
Anche l’uomo si sviluppa a partire da una singola cellula, lo zigote. Lo
zigote, attraverso una serie di divisioni cellulari, porta alla formazione
dell’embrione, poi del feto e infine del neonato.
La divisione cellulare continua anche dopo la nascita del neonato
portando ad un aumento del numero delle cellule fino al
raggiungimento dello stadio adulto caratterizzato da circa 10.000
miliardi di cellule.
Oltre all’accrescimento dell’individuo, la divisione cellulare nei
pluricellulari assicura il ricambio delle cellule danneggiate o morte, ad
48
BIOLOGIA C3
esempio una sbucciatura al ginocchio comporta la distruzione di alcune
cellule dell’epidermide che vengono rimpiazzate da altre, prodotte per
divisione cellulare, per riparare il danno.
Tutte le cellule viventi al loro interno presentano il citoplasma, un
liquido costituito per il 70% da acqua, per il 20% da proteine e per il
10% da carboidrati, lipidi ed altre molecole.
All’interno del citoplasma sono presenti organuli cellulari come
ribosomi, apparato di Golgi, mitocondri ecc. Tali organuli cellulari sono
presenti in numerose copie all’interno di una singola cellula, ogni
cellula può contenere migliaia di ribosomi o di mitocondri.
Se la divisione cellulare consistesse semplicemente nel tagliare in due
parti una cellula come ad esempio si taglia in due parti uguali un
panino, allora ogni parte conterrebbe un numero sufficiente di organuli
adatti ad assicurare tutte le funzioni vitali della cellula. All’interno della
cellula esistono però altri organuli, presenti in una singola copia e
situati in determinate zone della cellula, come ad esempio i cromosomi
presenti nel nucleo, allora la cellula deve adottare un meccanismo di
divisione cellulare più complesso, adatto a dividere equamente il
materiale contenuto nel nucleo in maniera tale che ogni cellula figlia
possa ricevere precisamente le stesse informazioni genetiche. Tale
meccanismo verrà descritto più approfonditamente nei successivi
paragrafi.
49
BIOLOGIA C3
Divisione cellulare
3.2 I cromosomi
I cromosomi sono formati da DNA e da proteine, su di essi si trovano i
geni che trasportano le informazioni ereditarie. Nelle cellule eucariote i
cromosomi sono racchiusi all’interno del nucleo e sono visibili, al
microscopio, quando una cellula inizia a dividersi.
Prima della divisione cellulare i cromosomi sono addensati in una
struttura che prende il nome di cromatina, costituita da DNA e
proteine. La cromatina a sua volta si forma in seguito all’avvolgimento
del DNA intorno a particolari proteine (istoni) formando i nucleosomi.
Il DNA è quindi contenuto nel nucleo sotto forma di cromatina. Ogni
cellula di ciascuna specie contiene un numero diverso di cromosomi, ad
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BIOLOGIA C3
esempio ogni cellula del moscerino della frutta possiede 8 cromosomi,
ogni cellula della cipolla ne possiede 16, ogni cellula umana 46.
Differenti livelli di condensazione del DNA: (1) DNA a doppia
elica; (2) Cromatina: filo di DNA con istoni; (3) Cromatina
condensata durante l'interfase; (4) Cromatina condensata
durante la profase (sono presenti due copie di molecole di DNA);
(5) Cromosoma durante la metafase.
L’insieme dei cromosomi di una cellula è detto corredo cromosomico,
quando questi sono disposti ordinatamente in microfotografia in base
alle dimensioni la loro rappresentazione è detta cariotipo. Il corredo
cromosomico può essere diploide o aploide, è diploide se vi sono
coppie di cromosomi omologhi ed è indicato con il simbolo 2n, è
invece aploide se non vi sono coppie di cromosomi omologhi ed è
indicato con il simbolo n. Due cromosomi costituiscono una coppia di
cromosomi omologhi quando sono uguali per forma e per dimensione e
portano geni allelici su loci corrispondenti. Il locus è il punto del
cromosoma su cui si trova il gene. L’allele è la forma alternativa del
gene, due geni allelici sono quindi due geni diversi che controllano lo
stesso carattere ma che producono un’espressione diversa di tale
carattere, ad esempio i due geni che controllano il colore degli occhi ma
uno determina la colorazione degli occhi verdi e l’altro la colorazione
degli occhi neri.
51
BIOLOGIA C3
Due alleli che controllano lo stesso carattere: il colore del fiore
Le cellule della maggior parte degli organismi eucarioti sono diploidi,
la nostra specie presenta un cariotipo 2n=46, quindi i 46 cromosomi di
ogni singola cellula umana sono in realtà 23 coppie di cromosomi
omologhi; in ogni coppia un cromosoma è di origine materna e uno è di
origine paterna, pertanto 23 cromosomi sono di origine materna e 23 di
origine paterna.
Le 23 coppie di cromosomi omologhi sono formate da 22 coppie di
autosomi e una coppia di eterosomi ovvero cromosomi sessuali; gli
autosomi sono uguali nella femmina e nel maschio mentre gli eterosomi
nella femmina sono XX e nel maschio XY.
La coppia di cromosomi XY, pur presentando cromosomi diversi per
forma e per dimensione, formano lo stesso una coppia di omologhi in
quanto possiedono una regione omologa.
Nella nostra specie come nella maggior parte degli animali le cellule
somatiche (le cellule di tutto il nostro corpo) hanno cariotipo diploide
ad eccezione delle cellule sessuali (gameti: cellula uovo e spermatozoo)
che hanno un cariotipo aploide.
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BIOLOGIA C3
Rappresentazione del cariotipo umano
3.3 Il ciclo cellulare
Ogni essere vivente nasce, cresce, si riproduce e muore, si dice che ha
un ciclo vitale. Anche le cellule possiedono un ciclo vitale che in questo
caso prende il nome di ciclo cellulare. Ogni cellula quindi nasce, cresce,
si riproduce e muore.
Il ciclo cellulare consiste in una sequenza ciclica di eventi che si
susseguono a partire dal momento di crescita di una cellula fino al
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BIOLOGIA C3
momento in cui essa si divide. Dopo la divisione una cellula torna ad
accrescersi e di nuovo a dividersi e così via. Tale ciclo comprende varie
fasi:
1) Fase G1: fase di crescita della cellula. Vengono prodotti vari
componenti cellulari come ribosomi, proteine, mitocondri ecc.
2) Fase S: fase di sintesi del DNA, in cui la cellula duplica il
proprio DNA.
3) Fase G2: fase di preparazione alla divisione cellulare. Vengono
sintetizzate proteine indispensabili per la fase successiva.
4) Fase M (Mitosi): fase di divisione cellulare. Comprende sia la
divisione del nucleo (mitosi) che la divisione del citoplasma
(citodieresi).
Le fasi G1, S e G2 costituiscono l’interfase del ciclo cellulare, la lettera
G sta per gap che significa intervallo mentre la lettera S sta per sintesi.
Nella fase S, si ha la duplicazione del DNA, ovvero da una molecola di
DNA se ne formano due identiche alla precedente.
Schema del ciclo cellulare. I = Interfase, M = Mitosi. La durata delle
varie fasi non è in proporzione.
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BIOLOGIA C3
Una molecola di DNA è costituita da due filamenti polinucleotidici
avvolti a spirale, ogni nucleotide è formato da uno zucchero a cinque
atomi di carbonio (deossiribosio), da un gruppo fosfato e da una base
azotata.
Duplicazione del DNA
Durante la duplicazione i due filamenti si srotolano e ognuno funge da
stampo per la sintesi di un nuovo filamento. La sintesi di un nuovo
filamento inizia in numerosi punti della molecola di DNA, chiamati
bolle di duplicazione, dai quali si duplicano, in senso bidirezionale,
segmenti di nuovi filamenti, in questo modo si accelera il meccanismo
di duplicazione.
La fase di duplicazione del DNA di una cellula animale dura in media 6
ore. Tale fase è importantissima per assicurare, durante la divisione
cellulare, una copia completa del DNA della cellula madre alle cellule
figlie.
Ogni cromosoma contiene una singola molecola di DNA ma in seguito
alla duplicazione del DNA, ogni cromosoma risulta costituito da due
molecole identiche di DNA, ognuna contenuta all’interno di un
cromatidio. Ogni cromosoma quindi, dopo la duplicazione del DNA, è
costituito da due cromatidi fratelli uniti da un centromero (punto di
unione dei due cromatidi).
La durata del ciclo cellulare varia da cellula a cellula, nella maggior
parte delle cellule animali e vegetali dura circa 24 ore di cui una o due
ore utilizzate per la fase mitotica. Ogni cellula però presenta delle
differenze. Ad esempio una cellula della pelle si divide una volta alla
settimana (in caso di lesioni si divide molto rapidamente per
rimarginare la ferita), un neurone (cellula nervosa), si divide raramente
infatti trascorre la maggior parte della sua vita in interfase mentre le
cellule cancerose si dividono molto rapidamente quindi presentano un
interfase brevissima.
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BIOLOGIA C3
3.4 Mitosi
Una cellula eucariota, dopo aver completato il processo di interfase,
inizia la fase di divisione cellulare o riproduzione, attraverso la quale
da una cellula madre si formano due cellule figlie identiche alla cellula
madre.
La mitosi consiste nella divisione del nucleo della cellula. Lo scopo
della mitosi è quello di assicurare un cromatidio di ciascun cromosoma
ad ogni cellula figlia in maniera tale che ogni cellula figlia riceva lo
stesso numero e gli stessi tipi di cromosomi della cellula madre.
Il processo di divisione cellulare è stato studiato e descritto, per la
prima volta, alla fine del XIX secolo, dal medico e microscopista
tedesco, Walter Flemming. Egli lo chiamò mitosi (dal greco mitos:
filamento). Successivamente, le moderne tecniche di microscopia ottica
ci hanno permesso di descrivere in maniera più dettagliata questo
processo.
La mitosi viene suddivisa in varie fasi: profase, metafase, anafase e
telofase a cui segue la citodieresi.
Le fasi della duplicazione cellulare
Profase
Alla fine dell’interfase i cromosomi si condensano e diventano visibili
al microscopio ottico. La membrana nucleare comincia a dissolversi
consentendo ai cromosomi di muoversi nel citoplasma e il nucleolo
(struttura formata da RNA ribosomiale e proteine) scompare. Nel
citoplasma delle cellule animali compare, in prossimità del nucleo, una
struttura cellulare, il centrosoma, all’interno del quale si origina una
coppia di piccoli cilindri, centrioli. Il centrosoma si duplica prima
56
BIOLOGIA C3
dell’inizio della profase, pertanto una cellula ha due centrosomi.
Centrioli e centrosomi sono assenti nelle cellule vegetali. Una coppia di
centrioli migra verso un polo della cellula e l’altra coppia verso il polo
opposto. Dalle coppie di centrioli si origina il fuso mitotico, un fascio
di microtubuli (filamenti proteici) che si estendono da un polo all’altro.
I microtubuli nella cellula vegetale originano direttamente dalle
proteine del citoplasma.
Due nuclei cellulari in profase. La barra della scala è lunga 5μm.
Metafase
I microtubuli si attaccano al centromero dei cromosomi mediante il
cinetocore. I cromosomi quindi legati ai microtubuli si muovono nel
citoplasma fino a quando i microtubuli li dispongono lungo il piano
equatoriale della cellula (piastra equatoriale). Lungo il piano equatoriale
i cromosomi si dispongono in maniera tale da presentare un cromatidio
rivolto verso un polo e l’altro cromatidio rivolto verso il polo opposto.
A questo punto i cromosomi risultano allineati lungo il piano
equatoriale e restano in questa posizione per circa un’ora. In questo
stadio i cromosomi presentano il massimo grado di visibilità al
microscopio ed è proprio in questo stadio che si riesce a determinare il
cariotipo della cellula.
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BIOLOGIA C3
Cromosomi in metafase
Anafase
In questa fase il centromero di ogni cromosoma si divide in due parti,
ogni cromatidio quindi presenta il suo centromero attaccato alle fibre
del fuso. I cromatidi di ciascun cromosoma si separano, un cromatidio
viene trascinato dalle fibre del fuso verso un polo e l’altro cromatidio
verso il polo opposto. In ogni metà della cellula vi è lo stesso numero di
cromatidi. I microtubuli cominciano a disgregarsi e ogni cromatidio
rappresenta un cromosoma.
Telofase
I microtubuli scompaiono, attorno a ciascuno dei due gruppi di
cromosomi (singoli cromatidi) ricompare la membrana nucleare e i
cromosomi ritornano a formare la cromatina.
Contemporaneamente ricompaiono anche i nucleoli. A questo punto si
sono formati due nuclei figli, con lo stesso patrimonio cromosomico,
all’interno di una singola cellula.
La cellula per completare la divisione cellulare deve dividere anche il
citoplasma in maniera tale che si formino due cellule figlie separate, il
processo di divisione del citoplasma prende il nome di citodieresi.
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BIOLOGIA C3
Fasi della mitosi
Fonte http://en.wikipedia.org/wiki/Mitosis
Profase: I due oggetti intorno al nucleo sono i
centrosomi. La cromatina si condensa nei
cromosomi.
Prometafase: La membrana nucleare si
disintegra, e i microtuboli hanno invaso lo
spazio nucleare.
Metafase: I cromosomi si allineano lungo una
immaginaria
linea
mediana
(piastra
metafasica) lungo il piano centrale della
cellula
Anafase: i cromatidi fratelli si separano tra
loro e migrano verso i due centrosomi ai poli
opposti della cellula
Telofase: i cromosomi si despiralizzano
(decondensano). Intorno ai due nuovi
complessi cromosomici ricompaiono le
membrane nucleari e gli organelli si
ricompongono
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BIOLOGIA C3
3.5 Citodieresi
La citodieresi è il processo di divisione del citoplasma che consente di
separare le due cellule figlie. Inizia durante l’anafase e termina poco
dopo la telofase. Nelle cellule animali la citodieresi si realizza in
maniera differente rispetto alle cellule vegetali. Nelle cellule animali la
divisione inizia in prossimità dell’anello contrattile, ovvero un fascio
di filamenti proteici (filamenti di actina) che circonda la cellula. Tali
filamenti restringono la cellula formando un solco che diventa sempre
più profondo fino a dividere il citoplasma in due parti. Quindi in questo
caso la divisione procede dall’esterno verso l’interno della cellula.
Nelle cellule vegetali invece sul piano equatoriale della cellula si forma
una struttura formata da vescicole dell’apparato di Golgi che si
uniscono formando la piastra cellulare. Dalla piastra cellulare si forma
la parete cellulare che dividerà le due cellule figlie. In questo caso
quindi la divisione del citoplasma procede dall’interno verso l’esterno
della cellula.
Citodieresi di una cellula vegetale
Alla fine della citodieresi avremo due cellule figlie identiche alla cellula
madre per quanto riguarda il nucleo e aventi metà del citoplasma della
cellula madre. Ogni cellula figlia, avendo un proprio nucleo e un
proprio citoplasma può accrescersi per aumentare il proprio citoplasma,
quindi attraversa di nuovo l’interfase e il ciclo cellulare ricomincia.
3.6 Divisione cellulare nelle cellule procariote
Le cellule dei procarioti (tra cui i batteri) sono molto più semplici delle
cellule eucariote. Gli organismi procarioti possiedono una parete
cellulare, non hanno una membrana nucleare che circonda il nucleo,
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BIOLOGIA C3
hanno un unico cromosoma, quindi una sola molecola di DNA. Il DNA
di solito è di forma circolare e non è racchiuso all’interno del nucleo ma
si trova attaccato alla membrana cellulare.
I procarioti essendo organismi unicellulari (a volte coloniali), sono
organismi semplici e quindi possiedono anche un semplice meccanismo
di divisione cellulare chiamato scissione binaria.
La scissione binaria inizia con una fase di duplicazione della molecola
di DNA, quindi da un'unica molecola di DNA se ne formano due. Le
due molecole si attaccano in due punti diversi della membrana cellulare
e la cellula inizia a dividersi. Nella regione mediana della cellula la
membrana e la parete cellulare iniziano a ripiegarsi verso l’interno e a
formare un setto, contemporaneamente le due molecole di DNA si
separano. Alla fine della formazione del setto la cellula risulta divisa in
due cellule figlie, dove ognuna ha una molecola di DNA.
Scissione binaria batterica
Ogni cellula figlia potrà a sua volta dividersi per scissione binaria e il
ciclo ricomincia. Il ciclo cellulare dei procarioti essendo molto semplice
richiede poco tempo per avvenire (circa 20 minuti) a differenza di
quello degli eucarioti che dura circa 24 ore.
3.7 Regolazione del meccanismo di divisione cellulare
La divisione cellulare è un meccanismo che non può continuare in
maniera incontrollata all’infinito, una cellula infatti deve
necessariamente sapere quando dividersi e quando arrestare il suo ciclo
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BIOLOGIA C3
cellulare. Negli organismi unicellulari ad esempio la continua divisione
cellulare porterebbe ad aumento notevole del numero degli individui
che entrerebbero in competizione per il cibo e per lo spazio.
Negli organismi pluricellulari le cellule si dividono con ritmi differenti
in base alle necessità dei tessuti e degli organi ai quali appartengono, ad
esempio nel nostro cervello, solo poche cellule nervose, dopo essersi
sviluppate e differenziate continuano a dividersi, molte di esse invece
invecchieranno. Le cellule staminali presenti nel midollo spinale invece
si dividono continuamente e velocemente per produrre i globuli rossi,
così anche le cellule dell’epidermide si dividono continuamente per
sostituire le cellule danneggiate o morte.
La differenza dei ritmi di divisione cellulare è dovuta a vari meccanismi
come l’invecchiamento cellulare e l’inibizione da contatto.
L’invecchiamento cellulare limita il numero di divisioni cellulari,
infatti una cellula di un neonato si divide molto più rapidamente di una
cellula di un individuo maturo. Anche il meccanismo di inibizione da
contatto limita il numero di divisioni cellulari, infatti quando le cellule
si trovano a contatto si blocca la divisone cellulare. In seguito ad una
ferita sulla pelle le cellule ai bordi della ferita iniziano a dividersi. La
divisione termina quando i bordi della ferita tornano a coincidere, cioè
quando le cellule si trovano di nuovo a contatto.
Non tutte le cellule arrestano la loro divisione quando si trovano a
contatto, quindi quando non vi è uno spazio vuoto da occupare, è il caso
delle cellule cancerose che continuano a dividersi ad un ritmo
incontrollato provocando dei danni anche alle cellule sane.
I meccanismi descritti sono dei meccanismi che arrestano la divisione
cellulare, esistono però dei meccanismi che inducono la cellula a
dividersi. Una cellula infatti inizia a dividersi dopo aver raggiunto un
punto critico, cioè quando ha raddoppiato la propria massa. In questo
modo assicura alle cellule figlie tutte le sostanze di cui esse hanno
bisogno. Ancora non è chiaro come una cellula si accorga di aver
raggiunto il punto critico, si sa solo che una volta raggiunto essa inizia a
dividersi.
Il raggiungimento del punto critico dipende dall’ambiente in cui si trova
la cellula o anche dai segnali provenienti da altre cellule. Alcune cellule
infatti emettono dei segnali che inducono le cellule a dividersi, questi
62
BIOLOGIA C3
segnali sono chiamati fattori di crescita e generalmente sono delle
proteine. Negli esseri umani la proteina segnale si chiama sonic
hedgehog (SHH).
L’SHH viene emessa da una cellula e si lega al recettore situato sulla
membrana della cellula che deve dividersi. Il legame tra il fattore di
crescita e il suo recettore induce la cellula a dividersi. Una cellula
cancerosa può produrre autonomamente un fattore di crescita oppure
può presentare un recettore che induce la divisione senza ricevere un
segnale.
3.8 Riproduzione agamica e gamica
Negli organismi unicellulari il meccanismo di divisione cellulare
precedentemente descritto (mitosi) rappresenta anche un metodo
riproduttivo. Un organismo unicellulare infatti si divide per mitosi e
origina due cellule figlie, ovvero due nuovi individui che sono
geneticamente identici al genitore. Questo tipo di riproduzione è detta
riproduzione agamica o asessuata, un esempio è la scissione binaria
tipica dei batteri ma anche di altri organismi unicellulari.
Anche
alcuni organismi
pluricellulari
possono riprodursi
agamicamente, un gruppo di cellule infatti può dividersi mitoticamente
e dare origine ad un nuovo individuo. È il caso ad esempio della
propagazione vegetativa delle piante, dove da una parte del corpo
della pianta può svilupparsi un nuovo individuo, ad esempio un
frammento della pianta (talea) che può essere un ramo, una foglia o
radice messo nel terreno, può radicare e formare una nuova pianta.
L’equivalente della propagazione vegetativa nel mondo animale è la
rigenerazione che consiste nel rigenerare l’intero organismo da una
parte del corpo, ad esempio se da una stella marina si stacca un braccio
con attaccato parte del disco centrale da esso si può rigenerare un’altra
stella marina, oppure un frammento di Planaria (verme piatto) può
rigenerare un nuovo individuo.
Nella riproduzione agamica quindi il nuovo organismo viene originato
direttamente dal genitore tramite una o più divisioni cellulari. Il nuovo
organismo è quindi geneticamente identico al genitore, in quanto
possiede lo stesso DNA, rappresenta cioè un clone. Questo tipo di
riproduzione quindi non apporta variabilità genetica.
63
BIOLOGIA C3
La maggior parte degli organismi pluricellulari si riproducono
sessualmente. Nella riproduzione gamica o sessuata il nuovo
individuo nasce dalla fusione di due gameti (cellule sessuali), uno di
origine materna e uno di origine paterna. Dalla fusione dei gameti
(fecondazione) si forma lo zigote, la prima cellula del nuovo individuo.
Lo zigote si divide numerose volte per mitosi in un processo detto
sviluppo embrionale o embriogenesi, attraverso il quale si formeranno
tutte le cellule del nuovo individuo. La divisione cellulare continuerà
fino al raggiungimento dello stadio adulto.
Nella nostra specie ogni cellula possiede 46 cromosomi suddivisi in 23
coppie di cromosomi omologhi, se anche i gameti avessero 46
cromosomi, dall’unione dei due gameti si formerebbe uno zigote con 92
cromosomi. Lo zigote dividendosi per mitosi evolverebbe in un
individuo in cui tutte le cellule presenterebbero 92 cromosomi. Nella
generazione successiva un gamete con 92 cromosomi si fonde con un
gamete a 92 cromosomi formando uno zigote con 184 cromosomi e così
via. Ovviamente tutto questo non è possibile; affinché ogni cellula del
nuovo organismo mantenga lo stesso numero di cromosomi (46), ogni
gamete deve possedere metà corredo cromosomico, cioè 23 cromosomi.
I gameti infatti sono cellule aploidi cioè presentano solo una serie di
cromosomi.
Negli animali e quindi anche nell’uomo, i gameti vengono prodotti in
particolari organi chiamati gonadi, in particolare i gameti femminili
(cellule uovo) vengono prodotti dalle cellule germinali presenti nelle
ovaie (gonadi femminili) mentre i gameti maschili (spermatozoi)
vengono prodotti dalle cellule germinali presenti nei testicoli (gonadi
maschili). Tutte le cellule non germinali prendono il nome di cellule
somatiche. Le cellule somatiche sono diploidi e si dividono solo per
mitosi a differenza delle cellule germinali che essendo aploidi si
dividono per meiosi, una divisione cellulare che riduce a metà il loro
corredo cromosomico portando alla formazione dei gameti.
La meiosi è quindi un processo di divisione cellulare che trasforma una
cellula diploide in aploide. Nell’uomo la meiosi dimezza il numero di
cromosomi da 46 a 23 producendo gameti con 23 cromosomi, in questo
modo attraverso la fecondazione si riformerà una cellula diploide
(zigote) con 46 cromosomi dalla quale evolve il nuovo individuo.
64
BIOLOGIA C3
Dei 46 cromosomi 23 sono di origine materna e 23 di origine paterna,
pertanto il nuovo individuo sarà geneticamente diverso dai suoi
genitori. La riproduzione gamica quindi apporta variabilità genetica a
differenza della riproduzione agamica dove i nuovi nati sono dei cloni
dei genitori.
In molti organismi come nel caso dell’uomo un individuo maschile
produce solo gameti maschili (spermatozoi) mentre un individuo
femminile produce solo gameti femminili (cellule uovo). In alcuni
animali, come le tenie, i lombrichi, le chiocciole ma anche in molte
piante un individuo può presentare sia gonadi femminili che maschili,
quindi può produrre sia gameti femminili che maschili. Questi individui
vengono chiamati ermafroditi. Gli ermafroditi possono quindi
autofecondarsi ma, come avviene nella maggior parte dei casi, vengono
comunque fecondati dal altri individui appartenenti alla stessa specie.
3.9 Meiosi
La meiosi è un processo di divisione cellulare che porta alla formazione
di gameti (cellule aploidi). Una cellula diploide dopo aver duplicato il
suo DNA va incontro a due divisioni successive dette meiosi I e meiosi
II dando origine a quattro cellule aploidi. Ogni divisione meiotica è
caratterizzata da quattro fasi: profase, metafase, anafase e telofase.
Fasi della meiosi
65
BIOLOGIA C3
Meiosi I
La meiosi I comprende quattro fasi (profase I, metafase I, anafase I e
telofase I) ed inizia dopo che una cellula diploide ha duplicato il suo
DNA. Nella cellula diploide sono presenti coppie di cromosomi
omologhi e dopo la duplicazione ogni cromosoma è formato da due
cromatidi uniti tramite il centromero.
Profase I
La prima fase della meiosi è la profase I, in questa fase proprio come
avviene nella profase della mitosi, i cromosomi si condensano, la
membrana nucleare e il nucleolo si dissolvono e inizia a formarsi il
fuso. In questa fase però avviene un evento nuovo che non si verifica
nella mitosi e cioè si ha l’appaiamento dei cromosomi omologhi.
In una coppia di cromosomi omologhi, un cromosoma è di origine
materna e uno di origine paterna. In seguito alla duplicazione ogni
cromosoma è formato da due cromatidi, quindi durante l’appaiamento
degli omologhi si forma una struttura, formata da quattro cromatidi,
chiamata tetrade.
Durante l’appaiamento avviene il fenomeno del crossing-over, ovvero
vi è lo scambio incrociato di pezzi equivalenti di cromatidi tra due
cromosomi omologhi. Il risultato di tale scambio sarà la formazione di
cromosomi ricombinanti, cioè cromosomi che contengono parti di
origine materna e parti di origine paterna. Siccome i cromosomi sono i
contenitori dei geni, attraverso il crossing-over si ha il rimescolamento
dei geni materni con quelli paterni.
Rappresentazione del crossing-over*
66
BIOLOGIA C3
Metafase I
Durante la metafase I le coppie di cromosomi omologhi (tetradi)
vengono trascinati dalle fibre del fuso lungo il piano equatoriale della
cellula. Lungo il piano equatoriale della cellula ogni tetrade si dispone
in maniera tale da presentare un cromosoma rivolto verso un polo e
l’altro rivolto verso il polo opposto. La modalità con la quale si
dispongono i cromosomi appartenente alla coppia di omologhi lungo il
piano equatoriale è casuale ed è indipendente dalle altre coppie di
cromosomi omologhi. Cioè può succedere che il cromosoma materno di
una coppia di omologhi si posizioni al di sopra del piano equatoriale e
quello paterno al di sotto mentre nella successiva coppia di omologhi il
cromosoma paterno si dispone al di sopra del piano equatoriale e il
cromosoma materno al di sotto. Può anche accadere che tutte le coppie
di cromosomi omologhi si dispongano in maniera tale da presentare
tutti il cromosoma materno al di sopra del piano equatoriale e quello
paterno al di sotto. Il meccanismo precedentemente decritto prende il
nome di assortimento indipendente e da questo dipende quale tipo di
cromosoma finirà nei gameti. Un gamete può infatti ricevere o il
cromosoma materno o quello paterno per ogni coppia di cromosomi
omologhi.
Anafase I
Durante l’anafase I i cromosomi omologhi si separano, un cromosoma
(ancora formato da due cromatidi) viene tirato dalle fibre del fuso verso
un polo e l’altro verso il polo opposto.
Telofase I
A ciascuno polo arriva un corredo cromosomico aploide anche se ogni
cromosoma è formato ancora da due cromatidi. Attorno ai due gruppi di
cromosomi ricompare la membrana nucleare e i nucleoli. I cromosomi
ritornano a formare la cromatina. La cellula a questo punto per
completare la divisione cellulare deve dividere anche il citoplasma. Il
citoplasma viene diviso attraverso il processo di citodieresi.
Al termine della prima divisione meiotica da una cellula diploide se ne
formano due aploidi. Le due cellule aploidi quindi ricevono solo un
cromosoma da ogni coppia di cromosomi omologhi.
Le due cellule aploidi si preparano ad una seconda divisione meiotica.
67
BIOLOGIA C3
Meiosi II
Le due cellule aploidi che si sono formate dalla meiosi I attraversano
una particolare interfase in quanto non vi è duplicazione del DNA. Esse
cominciano un nuovo processo di divisione cellulare chiamo meiosi II.
Questa divisione procede come una normale divisione mitotica solo che
il risultato finale è differente. La mitosi in una cellula diploide porta alla
formazione di due cellule figlie diploidi mentre la meiosi di una cellula
diploide porta alla formazione di due cellule figlie aploidi. Alla fine
della meiosi I ogni cromosoma della cellula aploide presenta ancora due
cromatidi, durante la meiosi II vengono separati anche i cromatidi.
Anche la meiosi II comprende varie fasi che sono: profase II, metafase
II, anafase II e telofase II.
Profase II
Questa fase è molto breve e non è preceduta da duplicazione del DNA.
La membrana nucleare di ogni cellula figlia scompare e si forma il fuso
meiotico. I cromosomi si legano alle fibre del fuso.
Metafase II
In ciascuna delle due cellule figlie (cellule aploidi), i cromosomi,
ancora formati da due cromatidi, vengono trascinati dalle fibre del fuso
lungo il piano equatoriale della cellula. Lungo il piano equatoriale ogni
cromosoma si dispone in maniera tale da presentare un cromatidio
rivolto verso un polo e l’altro rivolto verso il polo opposto.
Anafase II
In ciascuna delle due cellule figlie i cromatidi di ogni cromosoma si
separano e vengono trascinati dalle fibre del fuso in direzioni opposte.
Un cromatidio si dirige verso un polo e l’altro verso il polo opposto.
Telofase II
Al polo di ciascuna delle due cellule figlie arriva un gruppo di
cromatidi. Attorno ad ogni gruppo ricompare la membrana nucleare e le
fibre del fuso scompaiono. All’interno di ogni cellula si sono formati
due nuclei figli. Si completa la divisione cellulare attraverso la
citodieresi. Al termine della citodieresi si sono formate quattro cellule
figlie aploidi.
68
BIOLOGIA C3
In breve una cellula diploide va incontro ad una prima divisione
meiotica formando due cellule figlie aploidi, ogni cellula figlia va
incontro ad una seconda divisione meiotica formando due cellule figlie
aploidi. Alla fine della seconda divisione meiotica quindi si formano
quattro cellule figlie aploidi.
Tuttavia c’è differenza tra meiosi maschile (spermatogenesi) e
femminile (oogenesi), la prima produce quattro spermatidi uguali che
matureranno in spermatozoi, l’oogenesi invece già alla fine della meiosi
I formerà due cellule diverse. Una sarà un oocita secondario ricco di
citoplasma, l’altra sarà un corpo polare povero di citoplasma. Entrambi
andranno incontro alla meiosi II che produrrà dal primo ancora un ovulo
ricco di citoplasma e un corpo polare, dall’altra si otterranno due corpi
polari, i corpi polari generalmente degenerano. Tutto questo poiché
l’ovulo deve fornire un citoplasma ricco di sostanza di riserva per un
eventuale embrione.
3.10 Un errore durante la meiosi
La meiosi come abbiamo visto avviene soltanto nelle cellule germinali
situate nelle gonadi. Nella nostra specie le gonadi femminili sono le
ovaie mentre le gonadi maschili sono i testicoli. Le cellule germinali si
dividono per meiosi e formano nella femmina i gameti femminili
(cellule uovo) e nel maschio i gameti maschili (spermatozoi).
Il processo di formazione dei gameti si chiama gametogenesi ed in
particolare il processo di formazione dei gameti femminili prende il
nome di oogenesi e quello dei gameti maschili spermatogenesi.
I gameti sono cellule aploidi e nella nostra specie ogni gamete presenta
23 cromosomi. Non sempre però i gameti possiedono 23 cromosomi
può succedere infatti che una cellula uovo o uno spermatozoo presenti
un cromosoma in più (24) o un cromosoma in meno (22). In questo caso
dopo la fecondazione anche lo zigote avrà un numero anomalo di
cromosomi. Il numero anomalo di cromosomi porta all’insorgere di
malattie genetiche o ad un non corretto sviluppo dell’embrione.
L’anomalia del numero di cromosomi in un gamete deriva da una non
disgiunzione dei cromosomi durante la meiosi.
In una normale divisione meiotica durante l’anafase I si ha infatti la
divisione dei cromosomi omologhi e durante l’anafase II si ha la
69
BIOLOGIA C3
divisione dei cromatidi di un singolo cromosoma. In una divisione
meiotica anomala, durante l’anafase I, una coppia di cromosomi
omologhi non si separa e quindi si ritrovano nella stessa cellula figlia.
Da questa cellula figlia si formeranno, in seguito alla seconda divisione
meiotica, due gameti che conterranno due copie del cromosoma anziché
una. Se questo gamete con due copie dello stesso cromosoma, si unisce
con un gamete normale si formerà uno zigote con un cromosoma in
più.
Nella specie umana una conseguenza della non disgiunzione dei
cromosomi durante la meiosi provoca la sindrome di Down, una
malattia caratterizzata da ritardo mentale, malformazioni cardiache,
statura bassa, occhi a mandorla e anomalie nel resto del corpo. La
sindrome di Down si verifica quando una cellula uovo con un
cromosoma in più (due copie del cromosoma 21) si unisce con uno
spermatozoo normale: il risultante zigote avrà tre copie del cromosoma
21 (trisomia 21). L’individuo che si svilupperà dallo zigote presenterà
in ogni cellula 47 cromosomi.
3.11 Mitosi e meiosi a confronto
Nei paragrafi precedenti è stato descritto approfonditamente sia il
processo di divisione cellulare per mitosi che quello per meiosi. In
questo paragrafo invece concentriamo l’attenzione sulle loro differenze.
Una prima differenza riguarda il tipo di cellula nel quale avvengono. La
mitosi avviene sia in una cellula somatica aploide che in una cellula
diploide, la meiosi avviene solo nelle cellule germinali diploidi.
La mitosi porta alla formazione di cellule figlie identiche alla cellula
madre mentre la meiosi porta alla formazione di gameti che sono
geneticamente differenti dalla cellula madre.
La diversità genetica è dovuta a fenomeni del crossing-over e
dell’assortimento indipendente dei cromosomi, fenomeni che non si
verificano durante la mitosi. In base a questi due fenomeni una cellula
germinale di un essere umano può produrre diversi tipi di gameti, la
diversità dipende dalle diverse combinazioni cromosomiche.
Una cellula che contiene una singola coppia di cromosomi omologhi,
quando si divide per meiosi può formare solo due tipi di gameti. Infatti
durante la metafase I un cromosoma appartenente alla coppia, ad
70
BIOLOGIA C3
esempio quello di origine materna, può disporsi al di sopra del piano
equatoriale della cellula e l’altro, quello di origine paterna, al di sotto
del piano equatoriale oppure viceversa quello paterno al di sopra e
quello materno al di sotto del piano equatoriale, quindi sono possibili
solo due diverse disposizioni cromosomiche. La cellula germinale
invece contiene 23 coppie di cromosomi omologhi pertanto sono
possibili 223 diverse combinazioni cromosomiche che possono originare
circa 8 milioni di differenti tipi di gameti. La meiosi è quindi la fonte
della variabilità genetica.
Le cellule figlie prodotte dalla mitosi presentano lo stesso numero di
cromosomi della cellula madre, i gameti prodotti dalla meiosi
presentano la metà dei cromosomi presenti nella cellula madre.
La mitosi porta ad un accrescimento dell’organismo o a riparazioni di
parti di un organismo, la meiosi porta alla formazione dei gameti quindi
avviene soltanto negli individui che presentano riproduzione sessuata.
71
BIOLOGIA C3
Approfondimenti
Mitosi e meiosi, video
http://www.youtube.com/watch?v=l_gLWK6bmx0
Mitosi, video
http://www.youtube.com/watch?v=VlN7K1-9QB0
Ricostruire un cariotipo, esercitazione interattiva
http://learn.genetics.utah.edu/content/begin/traits/karyotype/
Cellule in mitosi: osservazione delle cellule apicali di radici di cipolla,
attività di laboratorio
http://www.scienzeascuola.it/joomla/laboratorio/12-biologia/418cellule-in-mitosi-osservazione-delle-cellule-apicali-di-radici-di-cipolla
Confronto tra mitosi e meiosi, video
http://www.oilproject.org/lezione/mitosi-e-meiosi-confrontocaratteristiche-fasi-e-funzioni-2755.html
Videolezioni
La cellula
http://lezioni.matematicamente.it/secondaria-secondogrado/biologia/2529-la-cellula.html
Cellula eucariota e procariote
http://lezioni.matematicamente.it/secondaria-secondogrado/biologia/2540-cellula-eucariota-e-procariota.html
72
BIOLOGIA C3
4. L’ereditarietà
4.1 Eredità per mescolanza ed eredità particolata
Fin dall’antichità gli uomini avevano osservato che i propri figli erano
simili ai genitori senza però porsi delle domande su come questo fosse
possibile. Dal 1800 numerosi studi vennero eseguiti per scoprire come
venissero trasmessi i caratteri ereditari, cioè quei caratteri che rendono
unico un individuo. Molti a quei tempi pensavano che le caratteristiche
di un individuo fossero il risultato di una mescolanza dei caratteri
ereditari dei genitori. Questa teoria prese il nome di eredità per
mescolanza. In base a questa teoria la prole presentava quindi dei
caratteri ereditari proventi dai genitori che restavano mescolati, proprio
come unendo due colori diversi si ottiene un nuovo colore.
Fu Gregor Mendel, abate del monastero agostiniano di Brün, ora Brno
nell’attuale Repubblica Ceca, ed insegnante di fisica e scienze naturali,
a sostenere che i caratteri ereditari si trasmettono alla prole mantenendo
la loro identità, cioè senza mescolarsi. Tale teoria prese il nome di
eredità particolata. Mendel arrivò a questa conclusione in seguito a
numerosi esperimenti condotti sulle piante di pisello (Pisum sativum). I
risultati ottenuti vennero pubblicati nel 1865 ma vennero compresi
molto tempo dopo, intorno al 1900, quando vennero scoperti i
cromosomi. Il merito più grande di Gregor Mendel fu quello di aver
scoperto la modalità di trasmissione dei caratteri ereditari senza essere a
conoscenza dei concetti base della genetica. Infatti i geni e i cromosomi
non erano ancora stati scoperti e non si conosceva nulla sulla molecola
del DNA, sulla mitosi e sulla meiosi.
È proprio con G. Mendel che nasce la genetica, ovvero la scienza che
studia l’ereditarietà dei caratteri.
4.2 Gli esperimenti di Mendel
Mendel proveniva da una famiglia di contadini, quindi fin da piccolo
aveva imparato le tecniche della coltivazione. Nell’orto del suo
monastero iniziò quindi a coltivare varie piante da frutto ma utilizzò per
i suoi esperimenti le piante di pisello, appartenenti alla famiglia delle
leguminose. Utilizzò questa pianta per vari motivi: è facile da coltivare,
ha un ciclo vitale breve, è in grado di autoimpollinarsi in quanto
73
BIOLOGIA C3
presenta dei fiori ermafroditi e allo stadio adulto presenta sette caratteri
facilmente osservabili.
Caratteri delle piante di pisello studiati da Mendel
Carattere studiato
Lunghezza del fusto
Forma del seme
Colore del seme
Forma del baccello
Colore del baccello
Colore del fiore
Posizione dei fiori
Dominante
Alto
Liscio
Giallo
Rigonfio
Verde
Violaceo
Assiale
Recessivo
Basso
Rugoso
Verde
Solcato
Giallo
Bianco
Terminale
Fiori di pisello
Per prima cosa egli cercò di ottenere delle linee pure di piante di
pisello. Lasciava cioè che le piante si autoimpollinassero per molte
generazioni.
Il fiore della piante di pisello possiede sia organi riproduttivi maschili
(stami) che organi riproduttivi femminili (pistilli). Lo stame è formato
74
BIOLOGIA C3
da un filamento e dall’antera, l’antera produce il polline, ovvero i
gameti maschili. Il pistillo è formato dall’ovario, dallo stilo e dallo
stimma, l’ovario contiene gli ovuli o gameti femminili. Il polline
liberato dalle antere cade sullo stame dello stesso fiore e va a fecondare
gli ovuli presenti nell’ovario che si trasformano in semi. I piselli
presenti nel baccello sono quindi i semi, ogni seme è il prodotto di una
fecondazione a sé stante.
Affinché le piante di pisello si autoimpollinassero, Mendel chiuse i fiori
all’interno di sacchetti per evitare che venissero impollinati da pollini
provenienti dalle piante vicine. In questo modo ottenne delle linee pure,
ovvero piante che presentavano un carattere costante nel corso delle
generazioni, ad esempio piante di pisello che ad ogni generazione
producevano sempre fiori viola, oppure piante di pisello che
producevano sempre semi lisci o sempre semi gialli.
Mendel, dopo aver ottenuto le linee pure, provò ad incrociare due linee
pure che differivano per un solo carattere, ad esempio una linea pura
che produceva sempre fiori viola con una che produceva sempre fiori
bianchi. La linea pura a fiori viola e quella a fiori bianchi rappresentano
la generazione parentale (P), cioè la generazione dei genitori.
Per incrociare le due linee pure, Mendel tagliò gli stami di una pianta di
pisello a fiori viola (linea pura) e prelevò con un pennellino il polline
dalle antere della pianta di pisello a fiore bianco (linea pura), il polline
venne portato sullo stimma della pianta a fiore viola, in questo modo
impedì l’autoimpollinazione ed effettuò un’impollinazione incrociata.
Piantando i semi provenienti da questo incrocio, si svilupparono piante
di pisello tutte a fiori viola. Le piante di pisello a fiori viola
rappresentano la prima generazione di discendenti, ovvero la
generazione filiale (F1 ) o linea ibrida. Alla F1 il carattere fiore bianco
sembrava quindi scomparso mentre il carattere che si manifestava era il
fiore viola. Il carattere che si manifestava (fiore viola) venne indicato
come dominante mentre l’altro che restava nascosto (fiore bianco)
venne indicato come recessivo.
75
BIOLOGIA C3
P
F1
Incrocio tra due linee pure
Questo esperimento venne ripetuto incrociando linee pure che
differivano per altri caratteri, come ad esempio la forma del seme
(incrociando cioè una linea pura a seme liscio con una linea pura a seme
rugoso), il colore del seme (incrociando cioè una linea pura a seme
giallo con una linea pura a seme verde) e così via per altre
caratteristiche come per la forma del baccello (rigonfio-solcato), il
colore del baccello (verde-giallo), la posizione dei fiori (assiale terminale) e la lunghezza del fusto (alto-basso). In ognuno dei sette
incroci, alla generazione filiale F1, si ottenevano sempre ibridi che
manifestavano un solo carattere ovvero quello dominante.
Mendel negli esperimenti successivi consentì l’autofecondazione degli
individui appartenenti alla prima generazione, ad esempio
l’autofecondazione degli individui a fiori viola della F1 ed osservò che
alla seconda generazione filiale F2 ricompariva il carattere fiore
bianco, ricompariva cioè il carattere recessivo. Il carattere recessivo
ricompariva in proporzioni minori rispetto al carattere dominante, vi
erano cioè più individui a fiori viola che individui a fiori bianchi.
Questo evento dimostrò la teoria dell’eredità particolata in quanto nella
seconda generazione filiale ricomparvero immodificati entrambi i
caratteri della generazione parentale (fiore viola e fiore bianco), inoltre
nelle varie generazioni non vi erano fiori con colorazione intermedia.
Mendel oltre ad osservare i risultati ottenuti da ciascuno dei sette
incroci analizzò i dati anche quantitativamente. Facendo riferimento
sempre all’incrocio linea pura a fiori viola con linea pura a fiori bianchi,
alla prima generazione si manifestava solo il carattere dominante (fiore
76
BIOLOGIA C3
viola) mentre alla seconda generazione si manifestava anche il carattere
recessivo (fiore bianco).
F1
F2
Seconda generazione filiale
Mendel contò, nella seconda generazione, il numero di piante a fiore
viola e il numero di piante a fiore bianco e stabilì che il loro rapporto
era di 3:1, cioè vi erano circa tre fiori viola per ogni fiore bianco.
Analizzò quantitativamente anche i risultati degli altri sei incroci e
trovò sempre, alla seconda generazione filiale, la stessa proporzione.
Mendel interpretò allora i risultati ottenuti e pensò che il carattere fiore
bianco potesse ricomparire nella F2 perché vi era un “fattore” che
sviluppa uno specifico carattere, questo fattore oggi viene chiamo gene.
4.3 Le leggi di Mendel
Oggi sappiano infatti che è il gene a determinare una determinata
caratteristica, come ad esempio il colore del fiore. Mendel aveva inoltre
intuito che il carattere fiore bianco potesse ricomparire nella F2 perché
era già presente nella F1 e quindi nella F1 vi erano due versioni dello
stesso gene. Oggi le due versioni dello stesso gene vengono chiamate
alleli. Quindi nelle piante di pisello, il gene che determina il colore del
fiore, aveva in realtà due forme alternative, cioè due alleli, un allele
responsabile del colore viola del fiore e uno del colore bianco. La
ricomparsa nella F2 del carattere fiore bianco era possibile solo se alla
F1 erano presenti entrambi questi alleli. Mendel infatti giunse alla
conclusione che nella F1 vi erano due alleli per lo stesso gene (il
termine allele è un termine moderno, Mendel utilizzava il termine
“determinate”), solo che un allele si manifestava (dominante) mentre
l’altro no (recessivo). Quindi l’allele per il carattere fiore viola era
dominante sull’allele per il carattere fiore bianco. Siccome gli individui
prodotti alla F1 presentavano due alleli per uno stesso gene Mendel
77
BIOLOGIA C3
suppose che ogni linea pura, avesse due alleli per ciascun gene. Solo
che nella linea pura i due alleli erano uguali (entrambi dominanti o
entrambi recessivi) mentre dall’incrocio di due individui di linea pura si
ottenevano ibridi con alleli diversi per ogni gene, uno dominante e uno
recessivo.
Prima legge di Mendel: legge della dominanza
Da questo Mendel trasse la prima legge della genetica o legge
dell’uniformità degli ibridi: l’incrocio di due individui di linea pura
che differiscono per un solo carattere, cioè per una coppia di alleli,
produrrà alla prima generazione filiale F1 ibridi tutti uguali che
presentano uno solo dei due caratteri ovvero quello dominante.
Oggi sappiamo che i geni sono porzioni del DNA che codificano per
una proteina o sono responsabili dell’espressione di un carattere, ad
esempio una pianta possiede un fiore viola perché ha un gene che
determina quel colore. I geni sono situati sui cromosomi, quindi i
cromosomi sono i contenitori dei geni. Ogni gene è posizionato in un
punto preciso del gene detto locus. Ogni cromosoma porta migliaia di
geni dove ognuno controlla un carattere.
Gli organismi eucarioti presentano cellule diploidi, quindi ogni cellula
(tranne i gameti) possiede due copie di ciascun cromosoma (coppie di
cromosomi omologhi) e di conseguenza due copie di ciascun gene,
ovvero due alleli. I due alleli di ogni gene possono essere uguali, in
questo caso l’organismo è omozigote per quel gene oppure gli alleli
possono essere diversi, in questo caso l’organismo è eterozigote per
quel gene. Se l’individuo è eterozigote per un gene, un allele è
dominante sull’altro, viene cioè espresso solo uno dei due diversi alleli.
Se un individuo è omozigote per un gene può avere entrambi gli alleli
dominanti, in questo caso è omozigote dominante oppure entrambi gli
alleli recessivi, in questo caso è omozigote recessivo.
L’allele dominante si indica con una lettera maiuscola dell’alfabeto
mentre l’allele recessivo si indica con una lettera minuscola.
L’insieme dei geni responsabili delle caratteristiche di un individuo
indica il genotipo di un individuo. L’insieme delle caratteristiche
espresse da un individuo indica invece il fenotipo, il fenotipo è quindi
l’insieme delle caratteristiche fisiche, chimiche e comportamentali di un
78
BIOLOGIA C3
individuo. Ad esempio nella nostra specie, la statura, il colore degli
occhi, il colore della pelle o il carattere di un individuo sono tutti
caratteri fenotipici. Negli esperimenti di Mendel il colore viola o bianco
del fiore delle piante di pisello oppure il colore giallo o verde del seme,
rappresentano dei caratteri fenotipici.
Quindi il fenotipo dipende dal genotipo o meglio è il genotipo che
determina il fenotipo di un individuo. Il fenotipo dipende anche
dall’ambiente in cui un individuo si sviluppa.
Individuo omozigote per
il carattere dominante
fiore viola
P P
Individuo eterozigote per il
carattere colore del fiore
P p
Genotipo PP Genotipo Pp
Fenotipo
“Fiore viola”
Individuo omozigote per
il carattere recessivo
fiore biano
p p
Fenotipo
“Fiore bianco”
Genotipo pp
Individuo omozigote ed eterozigote per un carattere
79
BIOLOGIA C3
PP
gameti
p
pp
p
P
P
Pp
Pp
Pp
Pp
Quadrato di Punnett
Seconda legge di Mendel: legge della segregazione dei caratteri
Le linee pure presentano un genotipo omozigote, ad esempio il genotipo
della pianta di pisello a fiori viola di linea pura è PP, cioè il gene
relativo al colore del fiore presenta due alleli uguali, entrambi
dominanti. Il genotipo della pianta di pisello a fiori bianchi di linea pura
è pp, cioè il gene relativo al colore del fiore presenta due alleli uguali,
entrambi recessivi.
La pianta omozigote a fiori viola produce gameti ognuno contenente un
allele P mentre la pianta di pisello omozigote a fiori bianchi produce
gameti ognuno contenente l’allele p. Mendel effettuò una fecondazione
incrociata prelevando i gameti maschili (polline) dalla linea pura a fiori
bianchi e trasportandoli sullo stimma della pianta di pisello a fiore
viola. Dall’unione dei gameti P e p si formarono, alla prima
generazione (F1), degli ibridi con genotipo eterozigote Pp. Gli ibridi
presentavano cioè tutti fiori viola in quanto possedevano l’allele
dominate P responsabile dello colorazione viola del fiore. Mendel
lasciò che gli ibridi si autofecondassero.
Gli ibridi Pp potevano produrre attraverso la meiosi gameti di due tipi P
o p. Per determinare quale fosse la probabilità che un gamete riceva
l’allele P, Mendel utilizzò le leggi matematiche della probabilità.
La probabilità che un gamete contenga l’allele P è del 50% e la
probabilità che contenga l’allele p è del 50%. Con la fecondazione un
gamete contenete P può unirsi con uno contenente l’allele p oppure con
uno contenente l’allele P, quindi la seconda generazione può avere
80
BIOLOGIA C3
genotipo PP corrispondente al fenotipo fiori viola, Pp corrispondente al
fenotipo fiori viola, pP corrispondente al fenotipo fiore viola e pp
corrispondente al fenotipo fiore bianco. Da questo esperimento Mendel
osservò che alla seconda generazione filiale i tre quarti della progenie
avevano il fenotipo fiore viola e un quarto il fenotipo fiore bianco
quindi il rapporto tra i fenotipi era di 3:1.
Un quadrato di Punnett che illustra un incrocio tra due
piante di pisello eterozigoti per il colore dei fiori: viola (B,
dominante) e bianco (b, recessivo)
Da questa osservazione Mendel trasse la seconda legge, la legge della
segregazione dei caratteri.
Mendel concluse che ogni individuo presenta due versioni dello stesso
gene, con un linguaggio attuale potremmo dire che ogni individuo
possiede due alleli per lo stesso gene. Tutti gli organismi a riproduzione
sessuata presentano cellule diploidi (cellule somatiche), le cellule
diploidi possiedono due alleli per ciascun gene. Un allele è di origine
materna e uno di origine paterna. Al momento della formazione dei
gameti i due alleli segregano o si separano in maniera tale che ogni
gamete presenti solo un allele per ogni gene. Con la fecondazione, cioè
81
BIOLOGIA C3
con l’unione del gamete maschile con quello femminile, gli alleli
tornano a formare una coppia, quindi il nuovo individuo avrà un allele
di origine materna e uno di origine paterna.
La legge della segregazione dei caratteri è facile da comprendere con le
conoscenze attuali relative ai geni, ai cromosomi, alla separazione dei
cromosomi omologhi durante la meiosi ma ai tempi in cui Mendel
effettuò le sue ricerche non si disponeva di tali conoscenze.
Per comprendere meglio i risultati ottenuti da Mendel possiamo
rappresentarli graficamente nel quadrato di Punnett, un metodo ideato
dal genetista Reginald Punnett nel 1905. Il quadrato di Punnett è
costituito da una tabella dove sul lato superiore si inseriscono i tipi di
gameti prodotti da un genitore e sul lato sinistro i tipi di gameti prodotti
dall’altro genitore, al centro vengono individuati i genotipi derivanti
dall’unione dei due gameti. In questo modo è possibile prevedere le
combinazioni alleliche risultanti da un incrocio.
Testcross o reincrocio
Gli ibridi ottenuti alla prima generazione filiale avevano genotipo Pp e
tutti lo stesso fenotipo (fiori viola). Mendel impedì che si
autofecondassero e li incrociò con individui omozigoti recessivi della
generazione parentale. Egli aveva infatti intuito che gli ibridi della F1
erano geneticamente diversi dagli individui a fiori viola della linea pura,
anche se entrambi possedevano lo stesso fenotipo (fiori viola). Non
conoscendo il genotipo degli ibridi pensò che poteva determinarlo
reincrociando tali individui con individui omozigoti recessivi rr con
fenotipo fiori bianchi. Il genotipo degli ibridi infatti poteva essere PP
(fiori viola) oppure Pp (fiori viola). Se il genotipo degli ibridi fosse
omozigote dominante PP allora la progenie sarebbe stata tutta
eterozigote Pp ma siccome da questo incrocio si ottennero metà
individui a fiori viola e metà a fiori bianchi Mendel capì che il genotipo
degli ibridi era eterozigote Pp.
82
BIOLOGIA C3
Test cross o re incrocio
Gli individui a genotipo Pp infatti producevano gameti di due tipi P
oppure p mentre gli omozigoti recessivi della linea pura producevano
solo gameti di tipo p. Con la fecondazione metà della progenie era
formata da individui eterozigoti a fiori viola (Pp) e metà da individui
omozigoti a fiori bianchi (pp). Questo fu un ulteriore conferma della
legge della segregazione dei caratteri.
Terza legge di Mendel: legge dell’assortimento indipendente
Fin qui Mendel ha eseguito gli incroci tra due linee pure che differivano
per un solo carattere ereditario ad esempio il colore del fiore. Si chiese
cosa sarebbe successo incrociando due linee pure che differissero per
due caratteri ereditari (incrocio diibrido), incrociando cioè due linee
pure che differiscono per il colore del seme e per la forma del seme.
83
BIOLOGIA C3
Linee pure
GG RR
gg rr
GR
gr
Generazione F1
GgRr
GgRr
GR
GR
Generazione F2
Gr
gR
gr
Gr
gR
gr
GG RRGG Rr Gg RR Gg Rr
GG Rr GG rr Gg Rr Gg rr
Gg RR Gg Rr gg RR gg Rr
Gg Rr Gg rr gg Rr gg rr
Una linea pura produceva semi lisci e gialli l’altra semi rugosi e verdi.
Dagli incroci precedenti Mendel sapeva che il carattere giallo è
dominante sul verde e il carattere liscio è dominante sul rugoso.
Indicando con R l’allele per la forma liscia del seme e con r quello per
la forma rugosa, con G l’allele per il colore giallo e g l’allele per il
colore verde, avremo che il genotipo della linea pura è RRGG per le
piante di pisello con semi lisci e gialli e rrgg per le piante di pisello a
seme rugoso e verde. La linea pura RRGG può produrre solo un tipo di
gameti (RG) mentre la linea pura rrgg può produrre solo un tipo di
gameti (rg). Dall’unione dei gameti si avranno alla prima generazione
(F1) tutti individui con genotipo RrGg e quindi con fenotipo a seme
84
BIOLOGIA C3
liscio e giallo. Mendel lasciò che gli ibridi RrGg si autofecondassero e
alla seconda generazione (F2), contando i numeri dei fenotipi, ottenne
che 315 piante avevano semi gialli e lisci, 108 piante semi lisci e verdi,
101 piante semi rugosi e gialli e 32 piante semi rugosi e verdi. Il
rapporto tra i fenotipi è di 9:3:3:1, cioè per ogni 9 semi gialli e lisci si
avevano 3 semi rugosi e gialli, 3 semi lisci e verdi e 1 seme rugoso e
verde.
Mendel notò che se contava separatamente i fenotipi, essi erano in un
rapporto di 3:1. Mendel infatti contò nella F2 prima i semi a fenotipo
giallo (416) poi quelli a fenotipo verde (140), il loro rapporto era di
416:140, ovvero 3:1. Allo stesso modo contò prima i semi a fenotipo
liscio (101) e poi quelli a fenotipo rugoso (32), il loro rapporto era di
3:1. In pratica, anche in questo caso, il rapporto tra fenotipi era di 3:1
proprio come nell’incrocio tra piante che differivano per un solo
carattere.
Da questa osservazione Mendel trasse la legge dell’assortimento
indipendente. La legge dell’assortimento indipendente afferma che i
caratteri ereditari vengono trasmessi indipendentemente l’uno dall’altro,
cioè la trasmissione di un carattere non influenza l’altro. Ad esempio la
trasmissione del carattere giallo del seme è indipendente dalla
trasmissione del carattere rugoso, quindi nella progenie si possono
trovare diverse combinazioni di questi caratteri e l’uno non influenza
l’altro.
Con la rappresentazione grafica tramite il quadrato di Punnett è molto
più semplice capire i risultati ottenuti da Mendel. In pratica gli individui
con genotipo RrGg producono quattro tipi di gameti RG, rG, Rg e rg.
Dall’unione di questi gameti si ottengono alla F2 sedici combinazioni di
tali caratteri che producono diversi fenotipi che sono tra loro in un
rapporto di 9:3:3:1.
Mendel per verificare se aveva individuato correttamente il genotipo
degli ibridi della F1, ovvero RrGg, reincrociò questi individui con
piante che producevano semi rugosi e verdi, entrambi questi caratteri
sono recessivi e quindi il genotipo è sicuramente rrgg. Se il genotipo
degli ibridi è corretto, ogni ibrido produce quattro tipi di gameti RG,
rG, Rg e rg mentre la pianta a semi rugosi e verdi produce un solo tipo
di gameti rg. Dall’unione casuale dei gameti non si otterranno fenotipi
85
BIOLOGIA C3
nel rapporto 9:3:3:1 ma fenotipi in proporzioni uguali ovvero un quarto
a fenotipo liscio e giallo, un quarto a fenotipo rugoso e giallo, un quarto
a fenotipo liscio e verde e un quarto a fenotipo rugoso e verde. Questo
risultato si può meglio capire osservando il quadrato di Punnett. Il
reincrocio quindi evidenziò la correttezza dei genotipi dei gameti
prodotti dagli ibridi.
4.4 Fenomeni ereditari complessi
Dominanza incompleta
Le leggi scoperte da Mendel non valgono sempre per tutti i casi di
trasmissione dei caratteri ereditari. Dagli esperimenti di Mendel si
aveva infatti alla F1 sempre una progenie con fenotipo uguale a uno dei
due genitori, ovvero uguale a quello con il carattere dominante, ad
esempio gli ibridi a fiori viola (dominanza completa). A volte però può
succedere che la progenie F1 abbia un fenotipo intermedio ai due
genitori, come ad esempio la colorazione dei fiori delle piante di bocca
di leone (Anthirrinum majus). Incrociando una pianta di bocca di leone
a fiori rossi con una a fiori bianchi si ha alla F1 una progenie di piante di
bocca di leone a fiori rosa (fenotipo intermedio). Questo è un esempio
di dominanza incompleta. Il fenotipo rosa potrebbe far pensare alla
validità della teoria dell’eredità per mescolanza, ma non è così. Alla
seconda generazione F2 infatti la progenie presenta sia piante a fiori
rossi che piante a fiori bianchi oltre a piante a fiori rosa. Questo
dimostra che gli alleli non si sono mescolati.
86
BIOLOGIA C3
Dominanza incompleta*
Codominanza
È il caso in cui gli alleli negli organismi eterozigoti non mostrano
fenotipi intermedi ma li esprimono contemporaneamente. Nel caso dei
gruppi sanguigni umani il gruppo AB ne è una dimostrazione.
Alleli multipli
Negli esperimenti condotti da Mendel i caratteri ereditari studiati
presentano solo due alleli per ogni gene. Un gene però, nella maggior
parte dei casi, può portare anche più di due alleli. Quando un gene porta
tre o più alleli, tali alleli vengono definiti alleli multipli. Un esempio è
87
BIOLOGIA C3
rappresentato dai gruppi sanguigni dove tre alleli dello stesso gene,
determinano, a seconda delle diverse combinazioni, i gruppi sanguigni
A, B, AB e O che sono invece quattro.
Controllo polimerico o eredità poligamica
In natura è raro che un gene controlli un carattere, la maggior parte dei
caratteri sono controllati da più geni. Ad esempio la colorazione della
pelle dell’uomo è controllata da più geni dalla cui combinazione
possono risultare diverse tonalità di colorazione. In questo caso quindi
il fenotipo dipende da più geni.
Le lettere che definiscono i gruppi sanguigni si riferiscono a due
polisaccaridi (A e B) che ritrovano sulla superficie dei globuli rossi. I
quattro gruppi sono il risultato delle loro possibili combinazioni, cioè il
gruppo è A per la presenza del polisaccaride A, B per il polisaccaride B,
AB se sono presenti entrambi (effetto della codominanza), gruppo O se
sono entrambi assenti.
Pleiotropia
Si parla di pleiotropia quando è un singolo gene che provoca molti
effetti sul fenotipo di un organismo. Nell’uomo è il caso dell’anemia
falciforme che è causata da un solo gene difettoso che provoca la sintesi
di un’emoglobina anomala, ma anche ad una serie di altre gravi
conseguenze.
4.5 La teoria cromosomica dell’ereditarietà
Gli esperimenti condotti da Mendel vennero pubblicati nel 1865. Fino
agli anni novanta ad essi non fu data molta importanza. All’inizio del
novecento il lavoro di Mendel venne rivalutato. Nel 1902 Walter Sutton
e Theodor Boveri proposero la teoria cromosomica dell’ereditarietà
con la quale affermarono che i geni sono localizzati sui cromosomi.
Mendel aveva affermato che le coppie di geni si dividono nei gameti
durante la meiosi, Sutton e Boveri dimostrarono che anche i cromosomi
sono presenti in coppia e si dividono durante la meiosi. Dimostrarono
che ciascun cromosoma trasporta numerosi geni e che questi geni
vengono ereditati insieme.
Nel 1910 altri esperimenti condotti dal genetista Thomas Hunt Morgan
confermarono tale teoria. Morgan condusse esperimenti sul moscerino
della frutta (Drosophila melanogaster). Gli esprimenti vennero condotti
88
BIOLOGIA C3
sul moscerino della frutta in quanto è facile da allevare, le sue cellule
contengono solo quattro coppie di cromosomi di cui tre coppie sono
autosomi e una coppia sono cromosomi sessuali, i cromosomi sessuali
nella femmina sono XX e nel maschio XY.
Morgan osservando i moscerini che stava allevando notò che un
moscerino presentava occhi bianchi mentre i moscerini normalmente
presentano occhi rossi, ipotizzò quindi che si trattasse di una mutazione.
Egli allora incrociò tale maschio a occhi bianchi con una femmina a
occhi rossi ed ottenne alla prima generazione F1 tutti individui a occhi
rossi. In questo modo capì che l’allele per gli occhi rossi era dominante
sull’allele per gli occhi bianchi. Reincrociò gli individui maschi e
femmine della F1 ed ottenne nella F2 che un individuo su quattro aveva
occhi bianchi e tre individui su quattro avevano occhi rossi, ottenne cioè
un risultato mendeliano, un rapporto di 3:1 tra gli individui con gli
occhi rossi e quelli con gli occhi bianchi. Quando Morgan osservò il
sesso degli individui notò che gli individui con gli occhi bianchi erano
maschi. Alla F2 in pratica tutte le femmine avevano occhi rossi, inoltre
il 50% dei maschi aveva occhi rossi mentre l’altro 50% aveva occhi
bianchi. Morgan dedusse quindi che il gene responsabile del colore
dell’occhio fosse localizzato sul cromosoma X. Nella F2 le femmine
avendo cromosomi sessuali XX, avevano ereditato sia l’ allele occhi
rossi, localizzato sul cromosoma X, sia l’allele occhi bianchi,
localizzato sul cromosoma X omologo. I maschi invece se ereditano
l’allele occhi bianchi sul cromosoma X non presentano l’omologo, in
quanto al posto del cromosoma X vi è il cromosoma Y. Era quindi la
dimostrazione che i geni sono localizzati sui cromosomi e che il
cromosoma Y, date le piccole dimensioni, porta pochissime
informazioni genetiche e quindi non può evitare che un gene, anche se
recessivo, si manifesti quando è presente sul cromosoma X della coppia
sessuale maschile.
La scoperta di nuovi geni, in numero superiore ai cromosomi, portò alla
conclusione che numerosi geni sono disposti su un cromosoma. Morgan
in seguito ad altri esperimenti condotti su Drosophila melanogaster
scoprì che i geni che si trovano sullo stesso cromosoma non segregano
indipendentemente nei gameti ma vengono trasmessi insieme
(associazione genica).
89
BIOLOGIA C3
Trasmissione autosomica dominante (sinistra) e recessiva (destra)*
Approfondimenti
Leggi di Mendel, video
http://www.oilproject.org/lezione/leggi-di-mendel-fondamenti-eapplicazioni-5101.html
90
BIOLOGIA C3
5. Struttura e duplicazione del DNA
5.1 Il DNA e il materiale genetico
Il DNA è una molecola formata da filamenti polinucleotidici, dove ogni
nucleotide è formato da uno zucchero a cinque atomi di carbonio
(deossiribosio), da un gruppo fosfato e da una base azotata. La sua
struttura è relativamente semplice perciò ci sono voluti molti anni di
ricerche per convincere la maggior parte degli scienziati che è proprio il
DNA la molecola depositaria dell’informazione genetica e non le
proteine.
La conferma arrivò nel 1944 in seguito ad esperimenti condotti da O. T.
Avery, C. M. MacLeod e M. McCarty. In realtà, gli esperimenti di
Avary e dei suoi collaboratori furono una continuazione di esperimenti
condotti precedentemente (1928) da F. Griffith. Quest’ultimo stava
studiando un vaccino contro la poliomelite, una malattia causata dal
batterio Streptococcus pneumoniae e inoculando tale batterio nei topi
cercava di indurre una risposta immunitaria.
Griffith disponeva di due ceppi di tale batterio, uno S (ceppo liscio) che
iniettato in un topo induceva la malattia e ne provocava la morte, l’altro
R (ceppo rugoso) che invece non risultava letale dopo essere stato
iniettato. Inoltre i batteri appartenenti al ceppo S (letali), se venivano
uccisi dal calore e successivamente iniettati nel topo non lo erano più.
Quando però vennero iniettati nel topo i batteri uccisi del ceppo S (che
non dovevano più essere letali) insieme ai batteri vivi del ceppo R (che
non sono letali), non solo procuravano la morte del topo, ma nel sangue
del topo erano presenti batteri S vivi. Ciò significava evidentemente che
qualcosa era passato dai batteri S uccisi ai batteri R, trasformandoli in
batteri letali, questo fenomeno venne chiamato trasformazione.
Successivamente nel 1944 fu Avary con i suoi collaboratori a scoprire
che era proprio il DNA la sostanza che induceva una trasformazione nei
batteri non letali.
91
BIOLOGIA C3
Griffith experiment
Nel 1952 gli esperimenti condotti da Alfred D. Hershey e Martha Chase
confermarono la teoria di Avary. Essi utilizzarono un batteriofago o
fago (T2), un virus in grado di infettare il batterio Escherichia coli (uno
dei più comuni batteri dell’intestino umano) e di riprodursi solo
all’interno della cellula ospite.
Il corpo di questo fago (testa, coda e fibre) è costituito da proteine e il
DNA è contenuto nella testa. Siccome solo una parte del batteriofago
passa nella cellula ospite, ciò che entra deve portare con sé le
informazioni genetiche, bisognava quindi capire se nel batterio entrava
la parte proteica del virus oppure il DNA.
Le proteine contengono zolfo ma non fosforo, mentre il DNA contiene
fosforo ma non zolfo, quindi Hershey e Chase marcarono le proteine
dei fagi con isotopi radioattivi dello zolfo (35S ) e il DNA con isotopi
92
BIOLOGIA C3
radioattivi del fosforo (32P ). Aggiunsero i fagi così marcati ad una
coltura di Escherichia coli. Dopo poco i fagi infettarono i batteri. I due
scienziati trovarono nel batterio infettato solo fosforo radioattivo e non
zolfo radioattivo, pertanto dedussero che nel batterio era entrato solo il
DNA del fago. Inoltre i fagi che si erano riprodotti nella cellula ospite e
che da essa erano fuoriusciti contenevano gli isotopi radioattivi del
fosforo. Scoprirono così che l’informazione genetica necessaria alla
riproduzione dei fagi è contenuta nel DNA che rappresenta quindi il
materiale genetico.
Hershey–Chase experiment
93
BIOLOGIA C3
5.2 La struttura della molecola del DNA
La composizione del DNA era nota già negli anni venti ma soltanto nel
1953 venne scoperta la sua struttura grazie agli studi dello statunitense
James Watson e il britannico Francis Crick.
Quando negli anni cinquanta i due ricercatori iniziarono a studiare la
molecola del DNA avevano già molte informazioni a riguardo:
conoscevano la composizione della molecola, la sua lunghezza e
sapevano che probabilmente aveva una struttura a doppia elica, dalle
ricerche effettuate dalla biofisica inglese Rosalind Franklin,
Questa, nel 1951, aveva iniziato le ricerche per scoprire la struttura del
DNA e lavorò separatamente ed indipendentemente
da
Watson
e
Crick.
Utilizzando una tecnica
chiamata “cristallografia a
raggi X”, ottenne delle
immagini del DNA che le
permisero di ipotizzare una
struttura a doppia elica, in
cui i filamenti di nucleotidi
del DNA sono avvolti a
spirale.
In pratica la struttura del
DNA era essere paragonata
ad una scala a pioli
attorcigliata dove i due
montanti della scala sono le
catene di zuccheri e gruppi
fosfato, mentre i pioli che
tengono uniti i montanti
sono formati da due basi
azotate unite da legami
DNA structure and bases
chimici.
Il DNA è formato da quattro tipi di nucleotidi che si differenziano solo
per una diversa base azotata; i quattro tipi di basi azotate sono:
adenina(A), guanina(G), citosina (C) e timina (T).
94
BIOLOGIA C3
Oltre ad avere ipotizzato la struttura a doppia elica, Franklin riuscì
anche a determinare le misure di tale molecola, ritenendo che avesse un
diametro di 2 nm e che ogni giro dell’elica avesse una lunghezza di 3,4
nm e fosse costituito da 10 pioli.
Nel frattempo Watson e Crick riuscirono a creare un modello
tridimensionale della struttura del DNA e a spiegare come fosse
possibile la sua duplicazione, utilizzando i dati ottenuti da Franklin e a
sua insaputa, in particolare quelli relativi alla disposizione degli
zuccheri verso l’esterno e dei gruppi fosfato verso l’interno delle basi
azotate.
Dopo aver stabilito che i due filamenti polinucleotidici erano tenuti
insieme dall’unione delle basi azotate, concentrarono la loro attenzione
sui legami tra le basi.
Watson infatti era convinto che ogni base azotata si legasse con la base
azotata dello stesso tipo, ad esempio l’adenina con l’adenina. Erwin
Chargaff gli fece cambiare idea perché scoprì che in tutti gli esseri
viventi la quantità di adenina presente nel DNA è uguale a quella di
timina e la quantità di guanina è uguale a quella di citosina. Pertanto
Watson intuì che le basi azotate si legavano con una regola precisa, la
regola di complementarietà, ovvero l’adenina si legava sempre alla
timina e viceversa, la citosina sempre con la guanina e viceversa. In
questo modo si poteva spiegare anche la duplicazione del DNA.
Nel 1953 Watson e Crick pubblicarono i loro risultati in un articolo
apparso sulla rivista scientifica “Nature”, nel quale sostenevano che la
molecola del DNA fosse costituita da due filamenti polinucleotidici
avvolti ad elica ed uniti tramite le basi azotate legate tra loro secondo le
regole di complementarietà.
Alla Franklin mancava molto poco per arrivare alle stesse conclusioni
di Watson e Crick ma siccome lavorava in autonomia, senza potersi
confrontare con altri ricercatori e soprattutto ostacolata nelle ricerche
dai suoi colleghi, non riuscì a terminare il lavoro. Morì nel 1958, a soli
37 anni, quattro anni prima che Watson e Crick ricevessero il premio
Nobel per la loro ricerca.
Watson e Crick riconobbero comunque il merito della Franklin
nell’aver svolto un ruolo determinate per le loro scoperte.
95
BIOLOGIA C3
La regola della complementarietà delle basi fu dunque la scoperta più
importante di Watson e Crick, con essa si riusciva a spiegare come il
DNA potesse duplicarsi prima della divisione cellulare. Infatti nota la
sequenza di nucleotidi su un filamento di DNA è automaticamente
possibile costruirne il filamento ad esso complementare. Essi scrissero:
“Non è sfuggito alla nostra attenzione il fatto che l’accoppiamento
specifico delle basi azotate suggerisce un possibile meccanismo per la
copiatura del materiale genetico.”
La molecola del DNA (acido desossiribonucleico), oggi è considerata la
sede dei caratteri ereditari, i geni infatti sono costituiti da DNA. Essa è
formata da due filamenti polinucleotidici, ogni filamento è formato da
una successione di nucleotidi dove, lungo un filamento, lo zucchero a
cinque atomi di carbonio (desossiribosio) è legato al successivo, tramite
un gruppo fosfato, in particolare il terzo atomo di carbonio (carbonio
3’) dello zucchero è legato al quinto atomo di carbonio (carbonio 5’)
dello zucchero successivo tramite il gruppo fosfato.
Ogni zucchero è legato ad una base azotata che si lega alla base ad essa
complementare con un legame debole a idrogeno, questo legame
permette ai filamenti di essere uniti. I legami idrogeno sono due quando
uniscono adenina con timina, sono tre se invece uniscono citosina con
guanina.
I due filamenti polinucleotidici sono antiparalleli, hanno cioè verso
opposto, un filamento termina ad un estremità con il carbonio 3’ mentre
all’estremità opposta con il carbonio 5’, l’altro filamento è capovolto
rispetto al primo ovvero termina ad un’estremità con il carbonio 5’ e
all’estremità opposta con il carbonio 3’.
Le basi azotate sono quattro: due purine formate da due anelli
condensati a cinque atomi di carbonio e quattro atomi di azoto (adenina
e guanina) e due pirimidine, formate da un anello di quattro atomi di
carbonio e due atomi di azoto (citosina e timina, uracile nell’RNA).
96
BIOLOGIA C3
Il DNA è contenuto nel nucleo della cellula eucariote. Ogni cellula
umana contiene 46 cromosomi, tranne i gameti che ne contengono 23 e
ogni cromosoma contiene una molecola di DNA, sui cromosomi sono
disposti i geni.
La lunghezza di questa molecola è variabile, nell’uomo una molecola di
DNA, in un cromosoma, può essere lunga circa 9 cm e la sua lunghezza
totale, per l’intero corredo cromosomico, è di circa 2,2 m. Il nucleo
della cellula ha un diametro di 5 μm e il cromosoma misura in media 6
μm di lunghezza. Affinché il nucleo della cellula possa contenere 2,2 m
97
BIOLOGIA C3
di DNA ed il cromosoma 9 cm di DNA, ogni molecola di DNA deve
essere compattata e avvolta attorno a particolari proteine chiamate
istoni. Otto molecole di istoni aggregati con DNA avvolto all’esterno
formano un nucleosoma. I nucleosomi si avvolgono più volte su se
stessi formando una fibra di cromatina. Appena la cellula va incontro a
divisione, la fibra di cromatina si compatta ulteriormente formando il
cromosoma.
5.3 Duplicazione del DNA
La molecola di DNA è capace di autocatalisi, cioè fare copie di sé
attraverso il processo di duplicazione che avviene in un momento detto
fase S o fase di sintesi del ciclo cellulare.
In questa fase, da una molecola di DNA se ne ottengono due uguali alla
precedente, in questo modo alle cellule figlie verrà assicurata una copia
completa del DNA presente nella cellula madre.
La duplicazione della molecola di DNA avviene nel nucleo della
cellula. Sappiamo che questa molecola è costituita da due filamenti
polinucleotidici, questi filamenti vengono srotolati e separati in seguito
alla rottura dei legami a idrogeno che tengono unite le basi azotate, la
rottura dei legami avviene ad opera di enzimi (elicasi). I due filamenti si
allontanano, ognuno espone le proprie basi azotate e funge da stampo
per la sintesi di un nuovo filamento. Le basi azotate esposte si legano,
secondo le regole di complementarietà, alle basi dei nucleotidi presenti
in forma libera nel nucleo, l’adenina si lega con la timina e viceversa, la
guanina con la citosina e viceversa. L’enzima DNA polimerasi
provvederà ad unire i nucleotidi del filamento complementare,
provvederà cioè ad unire, tramite il gruppo fosfato, il terzo atomo del
carbonio dello zucchero al quinto atomo di carbonio dello zucchero
successivo.
Il fenomeno di duplicazione del DNA è visibile al microscopio
elettronico in una cellula in divisione.
Si può notare che lungo la molecola di DNA si formano delle bolle che
rappresentano i punti di origine della duplicazione; essi corrispondono
ai punti in cui la doppia elica si sta srotolando e aprendo (forcella di
duplicazione) grazie all’azione dell’enzima elicasi che rompe i legami a
idrogeno tra le basi azotate.
98
BIOLOGIA C3
Le proteine facilitano formazione e movimento della forcella di duplicazione del DNA.
Apertura della doppia elica. (1) La RNA primasi sintetizza frammenti di RNA. (2)
L’elicasi rompe i legami a idrogeno e apre la doppia elica. (3) Alcune proteine si
tengono separati i due filamenti.
(1) La DNA polimerasi sintetizza la catena complementare. (2)Frammento di Okazaki.
(3) La DNA polimerasi sintetizza i frammenti di Okazaki.
99
BIOLOGIA C3
La topoisomerasi è un enzima che scorre avanti alla forcella di
duplicazione ed elimina la tensione dovuta al superavvolgimento del
DNA. Ogni bolla è formata da due filamenti di DNA srotolati,
allontanati e mantenuti in quella posizione, inoltre ha due opposte
direzioni di propagazione rispetto al punto di origine, pertanto la
duplicazione è bidirezionale.
In prossimità della forcella, ogni filamento del DNA inizia a duplicarsi.
Il primo filamento si replica velocemente e in maniera continua. Il
punto in cui inizia la sintesi del filamento complementare è detto primer
o iniziatore ed è costituito da un tratto di un singolo filamento di RNA
sintetizzato da un enzima detto RNA primasi, esso si lega, secondo le
regole di complementarietà, al tratto di DNA da duplicare.
Il primer termina con il carbonio 3’ dello zucchero libero. A questo
atomo la DNA polimerasi unisce il primo nucleotide, in particolare il
carbonio 5’ dello zucchero del nucleotide di DNA viene unito al terzo
atomo di carbonio dell’RNA primer tramite un gruppo fosfato. A questo
nucleotide la DNA polimerasi aggiunge un altro nucleotide sempre
nello stesso modo.
Il filamento complementare quindi si accresce in un'unica direzione,
seguendo quella della forcella di duplicazione (3’ → 5’).
Il secondo filamento di DNA invece si replica lentamente, in maniera
discontinua e in direzione opposta al primo filamento (5’ → 3’). La
replicazione inizia sempre con il premier ma questa volta il carbonio 3’
dello zucchero si trova in direzione opposta, poiché la DNA polimerasi
può aggiungere nucleotidi solo in prossimità del terzo atomo di
carbonio.
La sintesi del nuovo filamento avviene in direzione opposta. In questo
caso l’enzima primasi sintetizza vari tratti di RNA primer
complementare al secondo filamento che fungono da innesco per la
DNA polimerasi che aggiunge i nucleotidi all’estremità del terzo atomo
di carbonio dello zucchero.
Si formano tanti segmenti, detti frammenti di Okazaki, ognuno formato
da primer e da nucleotidi, successivamente la DNA polimerasi elimina i
primer e un altro enzima, la DNA ligasi invece unisce i frammenti
formando il filamento.
100
BIOLOGIA C3
Alla fine della duplicazione si avranno due molecole di DNA identiche
alla molecola originaria, ognuna formata da un filamento vecchio e da
uno nuovo, pertanto la duplicazione viene definita semiconservativa.
Il processo di duplicazione del DNA è abbastanza complicato, implica
la presenza di numerosi enzimi e anche se è veloce ed estremamente
preciso, si possono verificare degli errori. La possibilità di errore
riguarda un nucleotide su un miliardo. La DNA polimerasi durante la
sintesi del filamento complementare può posizionare un nucleotide
sbagliato lungo il filamento, oppure possono verificarsi errori
nell’appaiamento delle basi, ad esempio la citosina può essere sostituita
dall’uracile che nel DNA non è presente. Esistono degli enzimi, detti
enzimi di riparazione, che individuano e correggono gli errori
eliminando i nucleotidi sbagliati.
Nonostante gli enzimi di riparazioni molti errori possono sfuggire
dando luogo a mutazioni che possono essere dannose, insignificanti o
utili per l’organismo. Queste ultime contribuiscono ad aumentare la
variabilità genetica.
101
BIOLOGIA C3
5.4 La funzione dei geni
Nel DNA sono presenti tutte le informazioni necessarie alla cellula per
svolgere le sue attività. Le conoscenze sulla funzione dei geni derivano
da numerose ricerche, condotte nella seconda metà del XX secolo,
basate sullo studio delle mutazioni. Nel 1940 i genetisti George Beadle
e Edward Lawrie Tatum condussero diversi esperimenti per capire
come funzionassero i geni. Studiarono le mutazioni di Neospora crassa,
la muffa rossa del pane, in grado di crescere e di riprodursi su un
terreno molto semplice costituito di glucosio, azoto, sali e biotina
(vitamina H). I due scienziati provocarono delle mutazioni nella muffa
sottoponendola a raggi X, prelevarono le spore (cellule riproduttrici)
mutanti e le misero su un terreno completo, contenente cioè tutte le
componenti necessarie e ricco degli amminoacidi che generalmente la
muffa sintetizza da sola. Su questo terreno germinavano sia le spore
mutanti che quelle sane.
Successivamente le spore vennero messe su un terreno semplice o
minimo, costituito solo da glucosio, azoto, sali e vitamina, ma privo di
amminoacidi. In questo caso le spore mutanti non germinavano, in
quanto non riuscivano a sintetizzare le sostanze di cui avevano bisogno
né potevano prelevarle dal terreno, in quanto esso ne era privo.
Quelle sane invece si sviluppavano in quanto erano in grado di
sintetizzare tutte le sostanze necessarie alla loro crescita.
Quando al terreno minimo venne aggiunta la vitamina B1, si scoprì che
alcune spore mutanti erano in grado di svilupparsi. Ad altri terreni
minimi vennero aggiunti, uno alla volta, i 20 diversi amminoacidi per
individuare quale avrebbe consentito lo sviluppo delle spore mutanti.
Si arrivò quindi alla conclusione che alcune spore mutanti avevano
bisogno di vitamina B1, in quanto in esse mancava l’enzima necessario
a sintetizzare tale vitamina, altre spore mutanti avevano bisogno
dell’amminoacido specifico perché in esse mancava l’enzima necessario
alla sua sintesi.
I raggi X quindi avevano causato delle mutazioni nei geni e, a seconda
del gene colpito dalla mutazione, veniva influenzata la produzione di un
singolo enzima. Beadle e Tatum arrivarono alla conclusione che un
gene influenza la funzione di un singolo enzima.
102
BIOLOGIA C3
Questi risultati furono utilizzati da L. C. Pauling, che li integrò
arrivando alla conclusione che un gene influenza anche la funzione di
una proteina. Per arrivare a questa conclusione studiò una malattia
genetica, l’anemia falciforme, in cui i globuli rossi hanno una forma a
falce e per questo motivo possono restare intrappolati nei capillari
provocando gravi problemi anche circolatori e dolori, inoltre essendo i
capillari molto fragili possono essere facilmente distrutti provocando
anemie.
Pauling, osservando i pazienti affetti da tale malattia, scoprì che
l’emoglobina, la proteina che trasporta ossigeno all’interno del globulo
rosso, aveva una forma diversa rispetto all’emoglobina dei globuli rossi
sani e che tale differenza di forma era provocata da un gene modificato.
Successivamente nel 1956 il biochimico Vernon Ingram scoprì che le
differenze erano relative solo alle catene beta della molecola
dell’emoglobina, ricordiamo infatti che l’emoglobina normale è formata
da due coppie di catene di polipeptidi (due alfa e due beta). In
particolare la differenza era relativa ad un singolo amminoacido, il
sesto, dei 146 che formano una catena beta, infatti l’acido glutamminico
veniva sostituito dalla valina.
Questo produceva una deformazione dell’emoglobina e quindi una
proteina alterata, in altre parole un gene non è responsabile della
produzione della proteina, come sosteneva Pauling, ma è responsabile
della produzione di una catena polipeptidica. La mutazione di un gene
dunque provoca un cambiamento nella sequenza degli amminoacidi del
polipeptide, pertanto sono i geni a codificare le sequenze degli
amminoacidi e quindi a codificare le proteine.
103
BIOLOGIA C3
5.5 Il codice genetico
Con le scoperte precedentemente descritte, è stato confermato che i geni
sono costituiti da DNA, precisamente da parti di DNA, da una
successione di nucleotidi la cui funzione è quella di produrre polipeptidi
(un gene – un polipeptide). Le informazioni necessarie per sintetizzare
le proteine sono contenute nel DNA che a sua volta è contenuto nel
nucleo, sono scritte in codice pertanto devono essere tradotte in un
linguaggio chiaro, ovvero in una successione di amminoacidi (proteine).
L’informazione quindi deve essere trasferita dal nucleo al citoplasma
dove avviene la sintesi delle proteine e tradotta dal linguaggio del DNA,
scritto sottoforma di nucleotidi, al linguaggio dei polipeptidi, scritto
sottoforma di amminoacidi.
Ulteriori ricerche scientifiche hanno portato a quello che Crick ha
definito il dogma centrale della biologia: le informazioni contenute nel
DNA vengono trascritte sottoforma di RNA messaggero che viene
trasferito nel citoplasma e qui dai ribosomi vengono tradotte, in
sequenze di amminoacidi. L’intermediario che consente il trasferimento
delle informazioni è dunque l’RNA.
Le informazioni sono scritte in codice e contenute all’interno del DNA,
ma esso è costituito da filamenti polinucleotidici dove troviamo solo
quattro tipi diversi di nucleotidi, la diversità è relativa alla base azotata
(A, T, G, C). Con il processo di trascrizione l’informazione viene
trasferita sull’RNA messaggero, anch’esso formato da una successione
di soli quattro tipi diversi di nucleotidi, in cui le basi azotate sono A, U,
G, C, vi è cioè l’uracile (U) al posto della timina (T).
Siccome esistono 20 tipi di amminoacidi dai quali si formano tutte le
infinite proteine di cui è costituito il nostro corpo, bisogna capire come
è possibile che l’RNA, formato da soli quattro tipi diversi di nucleotidi,
possa codificare 20 tipi diversi di amminoacidi.
Per decifrare il codice genetico e quindi capire come si passa dai
nucleotidi agli amminoacidi, i biologi hanno prima ipotizzato che ogni
nucleotide codifichi per un amminoacido. Esistono quattro tipi di
nucleotidi: ciò significa che si possono codificare solo quattro tipi di
amminoacidi e quindi si possono formare proteine costituite soltanto da
quattro tipi di amminoacidi; però esistono 20 tipi diversi di
amminoacidi e questa ipotesi non può essere accettata.
104
BIOLOGIA C3
È stato supposto allora che due nucleotidi in successione verticale sul
filamento codifichino per un amminoacido, in questo caso si possono
formare proteine con solo 16 tipi di amminoacidi (42) , ad esempio AA
codifica per un amminoacido, AU codifica per un altro amminoacido,
AG codifica per un altro amminoacido e così via fino a formare 16
combinazioni di due nucleotidi che codificano 16 tipi di amminoacidi.
Ma siccome esistono 20 tipi di amminoacidi anche questa ipotesi non è
stata accettata.
È stato allora ipotizzato che tre nucleotidi (triplette o codone), in
successione lungo il filamento, codifichino per un amminoacido, in
questo caso si potrebbero formare 64 tipi di amminoacidi (43), ad
esempio AAA codifica per un amminoacido, AAC codifica per un altro
amminoacido e così via fino a formare 64 combinazioni di triplette che
codificano 64 tipi di amminoacidi.
Siccome però sono solo 20 i tipi di amminoacidi il codice viene
definito degenerato o ridondante, perché più triplette diverse codificano
per lo stesso amminoacido. In realtà però 3 delle 64 triplette non
codificano per nessun amminoacido, sono chiamate triplette di stop e
sono UAA, UAG e UGA, esse interrompono la formazione della catena
polipeptidica ed esiste poi una tripletta di start AUG con la quale inizia
la formazione della proteine.
105
BIOLOGIA C3
I venti amminoacidi ordinari ed i codoni che li codificano
Ala A GCU, GCC, GCA, GCG
Leu L UUA, UUG, CUU, CUC,
CUA, CUG
Arg R CGU, CGC, CGA, CGG, Lys K AAA, AAG
AGA, AGG
Asn N AAU, AAC
Met M AUG
Asp D GAU, GAC
Phe F UUU, UUC
Cys C UGU, UGC
Pro P CCU, CCC, CCA, CCG
Gln Q CAA, CAG
Ser S UCU, UCC, UCA, UCG,
AGU, AGC
Glu E GAA, GAG
Thr T ACU, ACC, ACA, ACG
Gly G GGU, GGC, GGA, GGG
Trp W UGG
His H CAU, CAC
Tyr Y UAU, UAC
Ile
Val V GUU, GUC, GUA, GUG
start
I AUU, AUC, AUA
AUG, GUG
stop
UAG, UGA, UAA
Il codice genetico è universale in quanto in tutti gli esseri viventi una
tripletta viene tradotta esattamente nello stesso amminoacido, ad
esempio la tripletta GCA codifica per l’amminoacido alanina
nell’essere umano, nella formica, nel muschio… quindi anche in
organismi molto diversi tra di loro.
Il codice genetico quindi è costituito da 64 triplette e consente la
traduzione dal linguaggio dei nucleotidi dell’RNA al linguaggio delle
proteine in amminoacidi.
106
BIOLOGIA C3
5.6 RNA messaggero
Le informazioni necessarie alla sintesi delle proteine sono contenute nel
DNA ma siccome esso non può partecipare alla sintesi proteica, c’è
bisogno di trasferire l’informazione dal DNA all’RNA messaggero
(trascrizione) che la trasporterà nel citoplasma. Pertanto l’RNA
messaggero (mRNA) contiene le stesse informazioni del DNA.
L’mRNA è un acido nucleico, come il DNA, ma si differenzia in quanto
è formato da una singola catena polinucleotidica e non da due, contiene
uno zucchero ribosio anziché deossiribosio e contiene la base azotata
uracile al posto della timina. Infine la molecola di RNA messaggero è
più corta (lunga da 1.000 a 10.000 nucleotidi) in quanto trasporta
l’informazione di un singolo gene per volta, mentre il DNA contiene
centinaia di geni.
107
BIOLOGIA C3
Approfondimenti
Esperimenti classici della genetica
http://it.wikipedia.org/wiki/Categoria:Esperimenti_classici_(genetica)
Cronologia della genetica
http://it.wikipedia.org/wiki/Genetica#Cronologia_della_genetica
Discorso di James Watson, per il premio Nobel per la medicina 1962
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1962/press.
html
Odile, la donna che vide il DNA
http://www1.lastampa.it/redazione/cmsSezioni/cultura/200708articoli/2
4328girata.asp
Animazione della replicazione del DNA
http://strangepaths.com/replicazione-del-dna/2007/07/03/it/
L’articolo di Watson e Crick su “Nature”
http://www.llc-trieste.it/site/wp-content/uploads/2008/11/molecularstructure-of-nucleic-acids.pdf
L. C. Pauling, Come vivere più a lungo e sentirsi meglio
http://static.scribd.com/docs/iip5r0kfxbbtb.pdf
Biography of Vernon M. Ingram
http://www.pnas.org/content/101/40/14323.full.pdf
Come si replica il DNA, video
http://www.youtube.com/watch?v=mrcGqoVUd4o
Il DNA, video di Rai3
http://www.youtube.com/watch?v=hkBMi5akWL0
Trascrizione e sintesi proteica, animazione
http://www.molecularlab.it/interactive/filmati/sintesi_proteica.asp?movi
e=true&dsl=true
Ciclo di vita di u n filamento di m-RNA, animazione
http://www.sumanasinc.com/webcontent/animations/content/lifecyclem
rna.html
Estrazione del DNA dal kiwi, esperienza di laboratorio
http://www.scienzeascuola.it/joomla/laboratorio/28-comunicati/426estrazione-del-dna-dal-kiwi
108
BIOLOGIA C3
Videolezioni
I virus
http://lezioni.matematicamente.it/secondaria-secondogrado/biologia/2532-i-virus.html
DNA
http://lezioni.matematicamente.it/secondaria-secondogrado/biologia/2533-il-dna.html
RNA
http://lezioni.matematicamente.it/secondaria-secondogrado/biologia/2534-rna.html
La mitosi
http://lezioni.matematicamente.it/secondaria-secondogrado/biologia/2538-la-mitosi.html
La meiosi
http://lezioni.matematicamente.it/secondaria-secondogrado/biologia/2539-la-meiosi.html
109
BIOLOGIA C3
6. La sintesi proteica
6.1 Trascrizione
La sintesi proteica avviene nel citoplasma della cellula, utilizzando gli
amminoacidi ivi presenti che vengono assemblati e disposti in base alle
informazioni contenute nel DNA, ovvero nei singoli geni. Affinché
avvenga la sintesi proteica c’è bisogno prima di trascrivere le
informazioni dal DNA all’RNA messaggero e poi di tradurre le
informazioni dall’RNA messaggero in polipeptidi.
Le informazioni presenti nel DNA vengono trasferite all’RNA
messaggero, pertanto si deve prima formare la molecola di RNA
messaggero.
La sintesi dell’mRNA comincia quando la doppia elica comincia a
srotolarsi grazie all’azione degli enzimi e i due filamenti si allontanano,
proprio come succede nella prima fase della duplicazione del DNA. In
questo caso non vi è un premier dal quale inizia la sintesi del filamento
ma vi è un promotore ovvero una particolare sequenza del DNA che
l’enzima RNA polimerasi riconosce.
L’RNA polimerasi quindi inizia a sintetizzare il filamento di mRNA a
partire dal promotore situato all’inizio del gene, si tratta di un processo
di copiatura di un solo filamento del DNA; nel punto in cui la molecola
di DNA si è srotolata i due filamenti si allontanano e solo un filamento
funge da stampo per la sintesi dell’mRNA.
I nucleotidi contenenti lo zucchero ribosio vanno a legarsi secondo le
regole di complementarietà ai nucleotidi esposti del DNA, esattamente
come avviene nel processo di duplicazione, solo che questa volta si ha
la copiatura di un solo filamento e le basi dei nucleotidi si legano con
regole innovative, cioè:
la base adenina del nucleotide del DNA si lega con un nucleotide
avente la base l’uracile dell’RNA (A-U),
la base timina del nucleotide del DNA si lega con la base adenina del
nucleotide dell‘RNA (T-A),
per quanto riguarda la citosina e la guanina le regole di
complementarietà restano le stesse.
Riportiamo il seguente esempio:
Molecola del DNA
ATCGCATTCAGT
110
BIOLOGIA C3
Molecola di mRNA UAGCGUAAGUCA
Man mano che le basi del mRNA si legano a quelle del DNA, l’enzima
RNA polimerasi, unisce il nucleotide a quello successivo formando un
filamento di mRNA, fino a quando si incontra una sequenza di
nucleotidi di DNA, detta terminante, dove l’enzima RNA polimerasi
termina il processo di trascrizione del tratto di DNA e quindi del gene.
A questo punto l’elica di DNA si riavvolge e il filamento di mRNA
formato si allontana per dirigersi verso il citoplasma.
Transcription*
Nei procarioti appena si forma l’mRNA inizia anche il processo di
traduzione, in quanto, non essendoci una membrana nucleare, l’mRNA
appena si forma si trova già nel citoplasma e può iniziare la sintesi delle
proteine.
Negli eucarioti invece dovrà fuoriuscire dal nucleo, arrivare nel
citoplasma e qui avviare il processo di traduzione che avviene anche a
distanza di molte ore rispetto al processo di trascrizione.
111
BIOLOGIA C3
L’mRNA prima di fuoriuscire dal nucleo dovrà essere processato,
infatti quello che si forma nel processo di trascrizione è un pre-mRNA,
costituto da introni ed esoni:
L’introne è una sequenza di nucleotidi che non codifica per nessuna
proteina.
L’esone è una sequenza di nucleotidi che codifica per una proteina.
Il processamento del pre-mRNA avviene grazie agli enzimi che
eseguono lo splicing (taglia e cuci).
Accade che vengano eliminati gli introni ed uniti gli esoni. L’mRNA
degli eucarioti riceve l’aggiunta, ad una estremità, di un “cappuccio”
formato da un solo nucleotide G e all’altra estremità di una “coda” di
poli A, cioè 50-250 nucleotidi di A. A questo punto l’mRNA, formato
solo da esoni, è maturo, può fuoriuscire dal nucleo attraverso i pori
nucleari e trasportare le informazioni sui ribosomi.
In molti geni delle cellule eucariote sono presenti sequenze di introni
che anche se vengono trascritte non codificano per delle proteine. È
stato stimato che circa il 98% del DNA umano è costituito da sequenze
di introni.
Nella fase di trascrizione oltre all’mRNA vengono prodotti altri due tipi
di RNA, l’RNA transfer (tRNA) e l’RNA ribosomiale (rRNA).
Il tRNA è una molecola di RNA costituita da circa 80 nucleotidi in
un’unica catena che ha la caratteristica forma a trifoglio ed ha il
compito di trasportare l’amminoacido presente nel citoplasma alla
molecola di mRNA.
Poiché ci sono 20 tipi di amminoacidi troviamo almeno 20 tipi di
tRNA. Il legame all’mRNA avviene grazie ad una regione situata nel
lobo centrale del tRNA chiamata anticodone, costituito da una tripletta.
Le triplette sono di 64 tipi ed escludendo quelle di stop, possiamo
trovare 61 tipi di molecole di tRNA, l’anticodone del tRNA si legherà
solo alla tripletta complementare sull’mRNA.
All’estremità 3’ della catena del tRNA invece è presente una sequenza
CCA a cui l’amminoacido si legherà tramite una reazione enzimatica.
Ad esempio il tRNA a cui è legato l’amminoacido serina, avrà
all’estremità del lobo centrale un anticodone AGG che si legherà al
codone ad esso complementare (UCC) presente sull’ mRNA.
112
BIOLOGIA C3
Il numero di tRNA varia comunque da specie a specie infatti alcuni
tRNA si legano allo stesso amminoacido oppure presentano anticodoni
che si legano a più di un codone, il numero minimo è comunque di 20.
L’rRNA invece costituisce una parte dei ribosomi, sede in cui avviene
la sintesi proteica, sono costituiti per un terzo da proteine e per due terzi
da RNA.
Rappresentazione schematica della struttura del tRNA*
Situati sul reticolo endoplasmatico rugoso di una cellula eucariota, sono
formati da due subunità, una grande e una piccola, separate da un solco,
al cui interno arriva l’mRNA. Il ribosoma si sposta lungo il filamento di
mRNA unendo gli amminoacidi e formando catene polipeptidiche in
base alle indicazioni presenti sull’mRNA. L’rRNA presente ha il
compito di catalizzare l’assemblaggio degli amminoacidi.
Di solito più ribosomi si spostano lungo lo stesso filamento di mRNA,
in questo modo vengono prodotte contemporaneamente più copie di una
stessa catena di polipeptidi.
Nei procarioti invece i ribosomi hanno la stessa forma e composizione
delle cellule eucariote, solo che sono presenti nella stessa zona in cui si
trova il DNA.
113
BIOLOGIA C3
Le sub-unità dei ribosomi delle cellule eucariote risultano 40S e 60S,
mentre quelle dei ribosomi di una cellula procariote 30S e 50S.
Ciclo vitale di un mRNA in una cellula eucariote
114
BIOLOGIA C3
6.2 Traduzione
Il processo di traduzione consiste nel tradurre le informazioni contenute
nell’mRNA in catene di polipeptidi. Il processo inizia quando l’mRNA
maturo fuoriesce dal nucleo e arriva nel citoplasma, dove si trasferisce
nel solco del ribosoma.
La subunità più piccola inizia a tradurre l’mRNA partendo da un punto
preciso, cioè in corrispondenza della tripletta di inizio presente
sull’mRNA ovvero AUG. Il tRNA, che contiene la tripletta
complementare, l’anticodone UAC legato all’amminoacido metionina,
si posiziona sul tratto complementare dell’mRNA, formando il
complesso d’inizio, quindi tutte le catene polipeptidiche iniziano con la
metionina.
Se questo amminoacido non è essenziale per la catena verrà rimosso
successivamente da enzimi.
Una volta formato il complesso d’inizio la subunità maggiore del
ribosoma si attacca a quella minore e il tRNA, che trasporta la
metionina, occupa il sito P della subunità maggiore (il sito P è uno dei
tre siti di legame dell’mRNA col tRNA).
Dopo il posizionamento del primo tRNA e del relativo amminoacido
inizia la fase dell’allungamento ovvero un secondo tRNA che trasporta
un altro amminoacido si lega al codone adiacente dell’mRNA ad esso
complementare che si trova sul sito A della subunità maggiore e il suo
amminoacido si allinea con quello precedente. A questo punto, un
enzima unisce i due amminoacidi con un legame peptidico. Il legame
tra il tRNA e il primo amminoacido (metionina) si rompe e quindi il
tRNA, ormai libero, si stacca dal ribosoma e torna nel citoplasma.
Continua la fase di allungamento e l’mRNA si sposta in avanti sul
ribosoma in direzione 5’-3’, occupando il sito E e lasciando libero A.
Viene richiamato un altro tRNA ad esso complementare, il quale
trasporterà un altro amminoacido, che verrà legato ai due precedenti. In
questo modo il ribosoma avanza di un codone sull’mRNA, formando
una catena polipeptidica sempre più lunga fino a quando il ribosoma
giunge alla tripletta di stop, come ad esempio UAA.
Poiché non vi è il tRNA ad essa complementare, una proteina, chiamata
fattore di rilascio, giunge su tale tripletta dell’mRNA e blocca la
115
BIOLOGIA C3
formazione della catena polipeptidica e un enzima stacca, dall’ultimo
tRNA, la catena polipeptidica (proteina) che si è formata.
Essa viene rilasciata nel citoplasma e le due subunità del ribosoma si
allontanano liberando l’mRNA, potranno poi riassemblarsi per iniziare
la sintesi di una nuova proteina. Il processo di sintesi delle proteine è
molto veloce dura in media pochi secondi.
Abbiamo visto che la traduzione inizia in un punto preciso dell’mRNA
ovvero in prossimità della tripletta di inizio AUG. Man mano che il
ribosoma avanza sul filamento di mRNA, si allontana sempre di più dal
punto di inizio che resta libero e può essere attaccato da un altro
ribosoma che inizia la sintesi della stessa proteina. Di conseguenza un
filamento di mRNA può essere tradotto contemporaneamente da più
ribosomi (polisomi) che produrranno molte copie della stessa proteina.
La sintesi delle proteine è un processo che richiede molta energia
pertanto la cellula deve sapere esattamente quante e quali proteine
devono essere prodotte in base alle proprie esigenze.
Gli organismi pluricellulari presentano differenziamento cellulare. In un
tessuto differenziato le cellule producono solo proteine relative a quel
tessuto. Quindi, anche se la cellula contiene tutte le informazioni
genetiche, deve usare solo la parte relativa al proprio tessuto, cioè
utilizza solo l’informazione per una parte dei suoi geni, che verrà
trascritta e tradotta a formare le proteine.
La maggior parte delle cellule regolano l’espressione dei geni, ovvero
“decidono” quale informazione genica deve essere utilizzata per
produrre le proteine mediante vari meccanismi di controllo. Il controllo
a livello della trascrizione, che è quello più utilizzato dalle cellule
eucariote, “decide” quale gene attivare e quindi le informazioni che
devono essere trascritte.
Le cellule possono regolare l’espressione genica anche mediante il
controllo post-trascrizionale. In questo caso si interviene sul pre-mRNA
che viene modificato oppure attraverso un controllo al livello della
traduzione dell’mRNA. Esistono infatti delle proteine che impediscono
ai ribosomi di legarsi all’mRNA bloccando la traduzione. Infine c’è il
controllo post-traduzionale in cui la cellula può modificare la struttura
della proteina anche dopo che è stata sintetizzata decidendo se attivarla
oppure no.
116
BIOLOGIA C3
6.3 Mutazioni geniche
Abbiamo già accennato alle mutazioni, esse possono essere
cromosomiche se interessano l’intero cromosoma oppure geniche cioè
modificazioni al livello di un singolo gene. Tratteremo solo delle
modificazioni geniche in quanto queste avvengono soprattutto durante
la duplicazione del DNA.
Una mutazione comune è la mutazione puntiforme ovvero quella a
carico di una sola base azotata lungo il filamento di DNA. Durante la
duplicazione del DNA una base azotata può essere sostituita con
un’altra. Ciò comporta conseguenze anche a livello delle proteine,
infatti il DNA che presenta la mutazione sarà trascritto e tradotto con un
errore.
Se la mutazione interessa il gene che codifica per l’emoglobina, la
sostituzione di una base con un’altra provoca la comparsa nel gene di
una tripletta diversa da quella originaria. Infatti in seguito alla
sostituzione della base azotata adenina al posto della timina sul
filamento di DNA si formerà la tripletta CAT invece della tripletta
CTT.
Questo comporta, nella fase di trascrizione, la formazione di una
tripletta diversa che codifica per un amminoacido diverso, in questo
caso la tripletta complementare di mRNA sarà GUA che codifica per
l’amminoacido valina e non GAA che codifica per l’acido glutammico.
In questo modo viene inserito un amminoacido sbagliato lungo la
catena polipeptidica, ciò altera la funzione e la struttura della proteina
provocando una deformazione dei globuli rossi (anemia falciforme).
La sostituzione di una base azotata con un'altra può avvenire in seguito
ad eventi casuali oppure più probabilmente in seguito ad agenti
mutageni come i raggi ultravioletti, i raggi x, sostanze chimiche come
alcol oppure quelle presenti nel fumo delle sigarette. Questo evento può
essere corretto dagli enzimi riparatori ma nel caso in cui non venga
corretto origina una mutazione.
Può succedere inoltre che la sostituzione di una base azotata con
un'altra porti, durante la trascrizione del gene, alla formazione di una
tripletta di stop che blocca prematuramente la traduzione, la
conseguenza sarà la formazione di una proteina più corta e quindi
alterata (mutazione non senso).
117
BIOLOGIA C3
Anemia falciforme
Globuli rossi resi falciformi
Le mutazioni che comportano invece un’aggiunta di una o di coppie di
basi azotate (inserzione) oppure l’eliminazione di una o di coppie di
basi azotate (delezione) nel gene, sono le più pericolose in quanto
siccome le informazioni per costruire le proteine sono dettate dalle
triplette, l’eliminazione o l’aggiunta di coppie di basi azotate fa slittare
la fase di lettura (frameshift mutations) delle informazioni genetiche
provocando la formazione di proteine non funzionali.
118
BIOLOGIA C3
Le
mutazioni
possono
avvenire in tutte le cellule ma
solo quelle che avvengono
nelle cellule sessuali (gameti)
vengono
trasmesse
alle
generazioni
future.
La
maggior parte non ha nessun
effetto sull’individuo, in
quanto
diverse
triplette
possono codificare per lo
stesso amminoacido, pertanto
una mutazione puntiforme
potrà
comportare
la
formazione di una tripletta
diversa, ma se questa codifica
per lo stesso amminoacido la
proteina prodotta non cambia,
altre possono avere degli
effetti negativi portando
anche
alla
morte
dell’individuo, altre ancora
sono vantaggiose in quanto
causano la comparsa di
caratteri
nuovi
che
consentono all’individuo di
sopravvivere e adattarsi a
nuove condizioni ambientali.
Tipi di mutazione
119
BIOLOGIA C3
Approfondimenti
Simulazione interattiva di trascrizione
http://cmol.nbi.dk/models/dynamtrans/dynamtrans.html
Video RNA ribosomico, Raiscuola
http://www.raiscuola.rai.it/articoli/lrna-ribosomico/9173/default.aspx
Vita dell’RNA, video in inglese
http://www.sumanasinc.com/webcontent/animations/content/lifecyclem
rna.html
120
BIOLOGIA C3
7. I tessuti cellulari
7.1 Dalla cellula all’organismo
La maggior parte degli animali è costituita da centinaia di differenti tipi
di cellule, per questo detti pluricellulari, in essi vi è suddivisione del
lavoro tra le cellule. Negli unicellulari, invece, un'unica cellula esegue
tutte le funzioni vitali.
Gli esseri umani, sono tra i pluricellulari, quelli più evoluti, sono
formati da una “colonia” di cellule di oltre 200 tipi diversi, in cui ogni
tipo ha una forma e svolge una specifica funzione: cellule nervose,
cellule muscolari, cellule epidermiche ecc. Le cellule che hanno forma
simile e svolgono la stessa funzione formano i tessuti. L’insieme di più
tessuti differenti che eseguono la stessa funzione formano un organo
(cuore, fegato, rene). Insiemi di organi che collaborano per svolgere la
stessa funzione, formano sistemi o apparati. Nel sistema, tutti gli
organi, sono formati da tessuti dello stesso tipo, ad esempio nel sistema
nervoso tutti gli organi sono formati da tessuti nervosi, quindi i tipi
cellulari sono pochi o uno soltanto, a differenza degli apparati che sono
formati da organi aventi tessuti differenti, ad esempio l’apparato
digerente è formato dai tessuti nervosi, tessuti muscolari, tessuti
epiteliali, tessuti connettivi. L’insieme dei sistemi o apparati forma
l’organismo.
7.2 Tessuti epiteliali
Il corpo dei vertebrati è composto da differenti tipi di tessuti che
vengono catalogati in tessuti epiteliali, tessuti connettivi, tessuti
muscolari e tessuti nervosi.
Sono tessuti di rivestimento nei quali le cellule sono legate le une alle
altre attraverso giunzioni cellulari, in maniera tale da non lasciare
spazio intercellulare. Esse in base alla loro forma, poligonale, cilindrica
o cubica, contraddistinguono differenti tipi di epiteli. Queste cellule
possono essere disposte in un unico strato, formando un epitelio
semplice, oppure in più strati, formando un epitelio stratificato.
Un epitelio consiste quindi di cellule legate le une alle altre che
poggiano su una sottile membrana (membrana basale) formata da
glicoproteine e collagene. Gli epiteli, nei vertebrati, rivestono la
superficie esterna del corpo e quella interna degli organi come lo
121
BIOLOGIA C3
stomaco, l’intestino, i polmoni oppure l’interno delle cavità corporee
(pericardio, peritoneo, pleure) o l’interno di vasi sanguigni, di vasi
linfatici e del tubo digerente.
Vi sono anche altri tipi di epitelio, l’epitelio ghiandolare, costituito da
cellule epiteliali che formano ghiandole che secernono sostanze utili
all’organismo e l’epitelio sensoriale, costituito da cellule epiteliali che
ricevono e trasmettono, alle altre cellule, stimoli che arrivano
dall’ambiente interno ed esterno.
Il tessuto epiteliale oltre a svolgere la funzione di rivestimento
protettivo regola anche il passaggio di tutto quello che entra e che esce
dal nostro corpo come acqua, sostanze nutritive e rifiuti.
Tipi di epitelio
7.3 Tessuti connettivi
Sono tessuti formati da cellule, che a differenza del tessuto di
rivestimento, non sono addossate le une alle altre ma sono immerse in
un’abbondante sostanza intercellulare che rappresenta la matrice, e da
numerose fibre. In base al tipo di matrice si distinguono diversi tipi di
tessuto connettivo: tessuto connettivo lasso, tessuto cartilagineo, tessuto
osseo, tessuto adiposo e sangue.
Tessuto connettivo lasso: è formato da cellule immerse in una matrice
formata da fibre proteiche (collagene) o ricca di elastina, ha la funzione
di collegare e sostenere gli altri tessuti, ad esempio collega l’epidermide
122
BIOLOGIA C3
ai muscoli, i muscoli alle ossa attraverso i tendini e le ossa alle altre
ossa attraverso i legamenti.
Tessuto cartilagineo: è formato da cellule isolate, dette condrociti,
immerse in una matrice solida ma flessibile, formata da mucoproteine e
collagene. È un tessuto di sostegno, forma infatti lo scheletro di alcuni
animali (pesci cartilaginei o condritti). Nell’uomo forma lo scheletro
allo stadio embrionale, che diventa poi osseo allo stadio adulto, ma
resta sotto forma di cartilagine in corrispondenza delle superfici
articolari (gomito, ginocchio), nei dischi intervertebrali per conferire
mobilità alla colonna vertebrale e per ammortizzare gli urti, tra le coste
della gabbia toracica per conferirle mobilità, nei padiglioni auricolari
ecc.
Tessuto osseo: è formato da cellule immerse in una matrice solida e
rigida formata da fosfato di calcio. Ha una funzione sia di sostegno,
forma infatti lo scheletro dei vertebrati, ma anche di protezione, ad
esempio protegge gli organi all’interno della gabbia toracica.
Tessuto adiposo: è formato da cellule immerse in una matrice solida
ma deformabile (grasso). Nel nostro corpo ad esempio i glutei sono
formati da tessuto adiposo e servono a non far sentire, quando si è
seduti, il peso del corpo, ha inoltre una funzione termoisolante e di
riserva.
Sangue: è formato da cellule (globuli rossi, globuli bianchi e frammenti
di cellule dette piastrine) immerse in una matrice liquida chiamata
plasma. Ha la funzione di trasportare sostanze nutritive ed ossigeno a
tutte le cellule del corpo e di allontanare le sostanze di rifiuto.
7.4 Tessuti muscolari
Sono tessuti formati da cellule allungate (fibrocellule), che hanno la
capacità di contrarsi e sono responsabili dei movimenti volontari e
involontari del corpo. Si distinguono tre tipi di tessuto muscolare:
tessuto muscolare striato, tessuto muscolare liscio e tessuto muscolare
cardiaco.
Tessuto muscolare liscio: è formato da fibrocellule lisce e affusolate,
prive di striatura ed è responsabile dei movimenti involontari del corpo,
cioè tutti quei movimenti che non sono sotto il controllo diretto del
sistema nervoso.
123
BIOLOGIA C3
Tessuto muscolare striato o scheletrico: è formato da fibrocellule
striate, presenta una forza contrattile maggiore rispetto al tessuto
muscolare liscio ed è responsabile dei movimenti volontari del corpo.
Tessuto muscolare cardiaco: è molto simile al tessuto muscolare
striato ma è formato da cellule più piccole e ramificate ed è
responsabile del movimento involontario del cuore che permette al
sangue di raggiungere le singole cellule di tutto il corpo.
7.5 Tessuto nervoso
È formato da cellule ricche di prolungamenti (neuroni), attraverso i
quali si generano collegamenti con altre cellule trasmettendo segnali
elettrici e da cellule che assicurano il nutrimento e la protezione ai
neuroni (cellule gliali).
124
BIOLOGIA C3
8. Sistemi e apparati
Il corpo umano è un sistema molto complesso, composto da organi ed
apparati, che pur essendo collegati tra di loro, vanno studiati
separatamente per capirne le caratteristiche e la funzionalità. Di seguito
vengono indicati tutti i sistemi e apparati del corpo umano e le relative
funzioni;.
Sistema tegumentario: comunemente detto pelle, protegge il corpo
dagli agenti esterni, regola gli scambi idrici e la temperatura, recepisce
gli stimoli esterni.
Sistema scheletrico: fornisce sostegno e protezione al corpo.
Sistema muscolare: consente il movimento del corpo e dei visceri.
Apparato digerente: Demolisce le sostanze che vengono assunte
attraverso l’alimentazione e assorbe le sostanze nutritive.
Sistema circolatorio: trasporta ossigeno, sostanze nutritive e messaggi
chimici a tutto il corpo, mantiene costante il pH e la temperatura
interna.
Apparato respiratorio: consente l’entrata di ossigeno e la fuoriuscita
di anidride carbonica.
Sistema immunitario: ha la funzione di difendere l’organismo da
parassiti o agenti patogeni.
Sistema ormonale: controlla le funzioni del corpo in collaborazione
con il sistema nervoso.
Sistema escretore: controlla i liquidi corporei e provvede all’
eliminazione dei composti azotati.
Sistema nervoso: raccoglie e trasmette gli stimoli esterni ed interni,
coordina l’attività muscolare.
Apparato riproduttore: consente la continuità della specie producendo
cellule riproduttive.
125
BIOLOGIA C3
8.1 Il sistema tegumentario
Il sistema tegumentario è costituito dalla pelle che riveste tutto il corpo
tranne gli orifizi come bocca, ano, aperture urogenitali, dove invece
sono presenti mucose (membrane di rivestimento che, producendo
muco, mantengono umide tali zone).
La funzione della pelle è quella di proteggere il corpo dagli agenti
esterni, di regolare la traspirazione e la temperatura corporea, e di
recepire gli stimoli esterni. La pelle oltre ad essere un tessuto di
rivestimento, per alcuni animali, come gli anfibi, rappresenta anche una
superficie respiratoria e in alcuni di essi rappresenta anche
un’importante difesa alla predazione.
Alcuni Anfibi presentano infatti una colorazione vivace, dovuta alla
presenza di pigmenti, attraverso la quale segnalano la loro presenza al
predatore, tali animali spesso sono anche velenosi pertanto il predatore
nutrendosene resterà intossicato e quindi li utilizzerà solo una volta
come nutrimento; la colorazione vivace (aposematismo) servirà da
ricordo della passata intossicazione e allontanerà i successivi predatori.
L’aposematismo oltre che negli anfibi è presente tra i gasteropodi
(nudibranchi), tra gli insetti (ape, vespa, coccinella) tra i rettili (serpente
corallo). La presenza di pigmenti dunque determina la colorazione della
pelle.
Nell’uomo la pelle può essere più o meno scura a seconda della quantità
di melanina che contiene. La melanina è un particolare pigmento che ci
protegge dai raggi ultravioletti del sole.
Il sistema tegumentario dell’uomo è composto da diversi strati,
l’epidermide è lo strato più superficiale ed è costituita a sua volta da
diversi strati, quello più esterno è lo strato corneo formato da cellule
morte che cadono quotidianamente. Queste vengono sostituite dalle
cellule provenienti dal sottostante strato basale. Ogni cellula dello strato
basale si divide per mitosi e genera due cellule, una entra a far parte
dello strato corneo e l’altra resta nello strato basale pronta ad una
nuova divisione.
Al di sotto dell’epidermide vi è il derma, uno strato di tessuto
connettivo fibroso all’interno del quale sono presenti vasi sanguigni
(non presenti nell’epidermide), terminazioni nervose che conferiscono
la sensibilità tattile, ghiandole sudoripare che regolano la temperatura
126
BIOLOGIA C3
corporea producendo sudore e ghiandole sebacee che secernono il sebo,
una sostanza grassa che ha il compito di idratare la pelle e lubrificare
capelli e peli. Sono presenti inoltre cellule epidermiche cheratinizzate
che formano il pelo, la cui radice è inserita nel follicolo.
Schema dell’epidermide in sezione
I recettori sensoriali presenti nei palmi delle mani, dei piedi o sul viso
sono i corpuscoli di Meissner e le cellule di Meerkel, mentre i
corpuscoli di Pacini sono più profondi e rispondono alle sensazioni
tattili fini.
I peli sono distribuiti su tutta la superficie del corpo, tranne che lungo il
palmo delle mani e la pianta dei piedi e hanno un ruolo fondamentale
nella termoregolazione.
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BIOLOGIA C3
Lo strato più profondo della pelle è l’ipoderma o strato sottocutaneo,
uno strato di tessuto adiposo situato al di sotto del derma,
particolarmente spesso nella zona dei glutei. L’ipoderma ha la funzione
di riserva di energia, evita la dispersione di calore contribuendo alla
regolazione della temperatura corporea e funge da ammortizzatore
contro gli urti.
8.2 L’apparato scheletrico
La maggior parte degli animali si muove grazie ai muscoli, che
contraendosi, mettono in movimento le ossa. Se non ci fossero i
muscoli, le ossa sarebbero delle strutture rigide ed immobili e non
sarebbe possibile camminare, saltare, distendere un braccio o fare
qualsiasi tipo di movimento.
I muscoli sono quindi collegati ad una struttura rigida che è lo scheletro,
esso può essere formato da tessuto osseo e parti di tessuto cartilagineo
(come lo scheletro dell’uomo), da solo tessuto cartilagineo (come per i
condritti) oppure da liquido come negli anemoni di mare (cnidari).
Lo scheletro può essere inoltre esterno, esoscheletro, come quello di
molti invertebrati (insetti, crostacei e altri artropodi) dove la
muscolatura si trova all’interno rispetto alla struttura scheletrica, oppure
interno, endoscheletro, come per i vertebrati compreso l’uomo, dove la
muscolatura è esterna rispetto allo scheletro.
Lo scheletro umano, è una struttura rigida, costituita da tessuto osseo
formato da cellule, fibroblasti, che secernono nella matrice
extracellulare il collagene, una proteina filamentosa che viene indurita
da calcio e fosforo. Pertanto lo scheletro oltre a svolgere la funzione di
sostegno e protezione è anche un’utile riserva di questi minerali.
Nell’uomo è formato da 206 ossa legate tra loro da 68 articolazioni
distribuite tra lo scheletro assile e lo scheletro appendicolare.
Lo scheletro assile comprende il cranio che protegge l’encefalo; la
colonna vertebrale che è formata da 33 vertebre unite da dischi
intervertebrali cartilaginei che conferiscono mobilità alle ossa e
impediscono lo sfregamento delle vertebre. All’interno della colonna
vertebrale si trova il midollo osseo sede di formazione di tutte le cellule
del sangue. Infine nello scheletro assile c’è la gabbia toracica che
128
BIOLOGIA C3
protegge cuore e polmoni ed è formata dallo sterno, dalle coste e dalle
vertebre toraciche.
Lo scheletro umano
Lo scheletro appendicolare comprende il cinto pettorale o scapolare,
formato da scapola e clavicola che sostiene le appendici superiori
(braccia) e il cinto pelvico formato da tre ossa ileo, ischio e pube (che
sostiene le gambe). Dall’unione del cinto pelvico con l’osso sacro della
colonna vertebrale si forma il bacino.
129
BIOLOGIA C3
Le ossa sono inoltre suddivise in ossa lunghe, come quelle degli arti,
ossa corte, come quelle del polso e del piede, e ossa piatte, come quelle
del cranio. Il punto di unione tra due ossa è chiamato articolazione,
essa può essere mobile come quella del ginocchio, oppure fissa (sutura)
come quella delle ossa del cranio.
Nella struttura interna di un osso lungo è possibile individuare tre
porzioni: due epifisi e una diafisi
formata da tre tessuti.
Il tessuto compatto, che riveste
la superficie esterna dell’osso, è
formato da lamelle concentriche
di fibre di collagene immerse in
sali di calcio (osteoni) che
circondano il canale di Havers
nel quale si trovano nervi e vasi
sanguigni
che
trasportano
nutrimento alle cellule dell’osso
(osteociti).
All’interno dell’osso compatto,
che forma una cavità nella diafisi
delle ossa lunghe, è presente
midollo osseo giallo, costituito
anche da grasso trasportato dal
sangue.
Verso l’interno delle epifisi troviamo il tessuto spugnoso, costituito da
trabecole e formato da spazi vuoti nei quali si trova il midollo osseo
rosso, un tessuto formato da cellule staminali dal quale si originano
tutte le cellule del sangue. Tutte le ossa sono strutture in continuo
rinnovamento: nel corso degli anni crescono, si irrobustiscono o si
riparano in seguito a fratture. Tutto questo è possibile grazie alla
presenza di cellule, gli osteoblasti, che producono collagene, fosforo e
sali di calcio, a differenza di altre cellule, gli osteoclasti, che
riassorbono tali minerali per utilizzarli in altre parti del corpo.
Nelle persone anziane l’attività degli osteoclasti è superiore a quella
degli osteoblasti e ciò causa fragilità alle ossa (osteoporosi). Anche
l’attività muscolare influisce sulla fragilità delle ossa, infatti un’intensa
130
BIOLOGIA C3
attività fisica stimola l’immagazzinamento di calcio nelle ossa che di
conseguenza tenderanno ad irrobustirsi.
8.3 L’Apparato muscolare
I muscoli consentono il movimento attraverso il meccanismo della
contrazione. Per ogni muscolo che si contrae vi è il suo antagonista che
si rilassa, ad esempio la contrazione del muscolo bicipite consente di
flettere l’avambraccio, mentre la contrazione del tricipite (antagonista
del bicipite) fa rilassare il bicipite permettendo di estendere
l’avambraccio.
Il corpo umano possiede diversi tipi di muscoli, essi in base alla
posizione che occupano, vengono classificati in:
muscoli scheletrici (legati alle ossa ne consentono il movimento),
muscoli pellicciai (determinano i movimenti della pelle e sono
responsabili dell’espressività del viso),
muscoli erettori del pelo (situati nel derma e responsabili del
sollevamento dei peli),
muscoli viscerali (ricoprono gli organi interni, come l’intestino, la
vescica, l’utero e sono responsabili delle loro contrazioni),
muscoli oculari (responsabili del movimento dei bulbi oculari).
I muscoli posso essere classificati anche in base al tipo di cellule che li
costituiscono in: muscoli striati, muscoli lisci e muscolo cardiaco.
I muscoli striati o scheletrici, sono muscoli volontari, sotto il diretto
controllo del sistema nervoso e sono costituiti da fibre muscolari che
sono cellule allungate molto grandi e plurinucleate.
Ogni fibra muscolare (cellula) è formata da numerosi fasci dette
miofibrille ed è rivestita da una membrana detta sarcolemma. Ogni
miofibrilla è costituita da unità contrattili dette sarcomeri, piccoli
cilindri lunghi circa 2,5 μm formati da filamenti proteici sottili e spessi
che determinano la struttura striata.
131
BIOLOGIA C3
Lista dei muscoli del corpo umano
132
BIOLOGIA C3
Tipi di muscoli*
Microanatomia interna di un muscolo scheletrico
La proteina presente nei filamenti sottili è l’actina, quella presente nei
filamenti spessi è la miosina, ogni sarcomero quindi è delimitato alle
due estremità da una striscia scura detta linea Z dalla quale partono
coppie di filamenti di actina e parallelamente ad essi, si trovano i
filamenti di miosina.
Sono proprio i filamenti a determinare la contrazione del muscolo
tramite un meccanismo di scorrimento tra filamenti dove il filamento
di miosina si aggancia al filamento di actina, mediante delle piccole
teste, e “scorre”su di esso determinando l’accorciamento del sarcomero
e di conseguenza dell’intero muscolo.
La contrazione non è limitata ad un singolo sarcomero ma si estende a
tutti i numerosi sarcomeri che sono presenti in un muscolo, pertanto si
avrà un’elevata potenza di contrazione.
133
BIOLOGIA C3
Modello del funzionamento della contrazione muscolare
Il meccanismo di contrazione è sotto il controllo del sistema nervoso,
ogni muscolo infatti è collegato al cervello tramite i neuroni motori che
trasmettono impulsi elettrici alla cellula muscolare. L’impulso viene
trasmesso al reticolo sarcoplasmatico (reticolo endoplasmatico della
cellula muscolare) che comincia a rilasciare ioni calcio nel citoplasma
della cellula. Questi ioni inducono la miosina ad agganciarsi all’actina e
ad iniziare la contrazione che finirà quando gli ioni calcio ritorneranno
nel reticolo sarcoplasmatico, senza il calcio infatti la miosina non può
legarsi all’actina.
Il meccanismo di contrazione richiede energia che viene fornita
dall’ATP, che, demolita in ADP, libera energia e fa muovere la
miosina sull’actina. Anche se l’ATP viene demolita, vi sono
meccanismi che consentono la continua rigenerazione di tale molecola,
in maniera tale da farla restare sempre ad un livello costante. L’ATP
134
BIOLOGIA C3
può rigenerarsi in diversi modi, a seconda della quantità di ossigeno che
si ha a disposizione.
Quando non vi è ossigeno nelle fibre muscolari, l’ATP si rigenera
attraverso la glicolisi, cioè la scissione del glicogeno, una sostanza di
riserva energetica presente nelle fibre muscolari, questo meccanismo si
attiva quando bisogna compiere sforzi intensi per poco tempo.
Quando è presente ossigeno nelle fibre muscolari, l’ATP si rigenera
attraverso la respirazione cellulare, cioè il glicogeno, dopo la glicolisi,
entra nel ciclo di Krebs portando alla formazione di ATP, questo
meccanismo si attiva per sforzi non troppo intensi ma prolungati.
Quando infine c’è bisogno di una rigenerazione rapida di ATP si
utilizzano le molecole di creatin-fosfato abbondantemente presenti
nella fibra muscolare, le quali cedono ioni fosfato all’ADP
trasformandolo in ATP, questo meccanismo si attiva per sostenere
sforzi improvvisi ed intensi.
I muscoli lisci, come i muscoli viscerali, sono muscoli involontari, cioè
non sono sotto il diretto controllo del sistema nervoso. Sono costituiti
da fibre muscolari che contengono un solo nucleo e non presentano
filamenti proteici di actina e miosina pertanto hanno una struttura liscia.
Le cellule di questi muscoli comunicano tra di loro tramite giunzioni
elettriche che consentono il movimento degli organi interni.
Il muscolo cardiaco è un muscolo involontario, formato da un
particolare tipo di muscolatura, la muscolatura cardiaca, che è costituita
da cellule cardiache molto simili a quelle della muscolatura striata in
quanto sono presenti filamenti sottili e spessi. Le cellule del muscolo
cardiaco, a differenza delle cellule della muscolatura striata, presentano
un solo nucleo e comunicano tra di loro attraverso giunzioni elettriche.
L’impulso si genera nel nodo senoatriale o pacemaker e da qui si
propaga a tutte le cellule consentendo la contrazione ritmica del cuore.
135
BIOLOGIA C3
Videolezioni
Il sistema scheletrico
http://lezioni.matematicamente.it/secondaria-secondogrado/biologia/2527-il-sistema-scheletrico.html
Apparato tegumentario
http://lezioni.matematicamente.it/secondaria-secondogrado/biologia/2541-il-sistema-tegumentario.html
136
BIOLOGIA C3
9. Nutrizione e apparato digerente
9.1 Il cibo come fonte di energia
Il compito dell’apparato digerente è di rendere disponibili sostanze
semplici per le cellule. Attraverso l’alimentazione infatti entrano nel
nostro corpo sostanze complesse estranee (macromolecole) che
vengono demolite in sostanze semplici. Queste ultime vengono
trasferite alle singole cellule dell’organismo mediante l’apparato di
distribuzione (flusso sanguigno) ed utilizzate nei processi metabolici,
cioè in tutte le reazioni chimiche e fisiche necessarie a mantenere in vita
l’organismo.
Un organismo si alimenta quando ha lo stimolo della fame e la scelta
del cibo è frutto della selezione naturale, nel senso che la scelta del cibo
è condizionata dall’ambiente in cui un animale vive. Se in
quell’ambiente non è presente l’alimento (animali specialisti, basano la
loro dieta su un solo alimento) o gli alimenti (animali generalisti,
onnivori, hanno una dieta varia) di cui si nutrono, allora tale individuo
sarà destinato alla morte. In seguito allo stimolo della fame, l’individuo
esplora l’ambiente alla ricerca della preda. I costi energetici di questa
ricerca non devono, evidentemente, superare il valore energetico del
cibo. È questo il motivo che ha comportato una serie di adattamenti
evolutivi per la cattura della preda, si pensi ad esempio alla caccia in
gruppo dei leoni che rappresenta sicuramente un metodo di cattura a più
basso costo energetico rispetto alla caccia individuale.
Esistono animali per il quali la ricerca del cibo non necessita di un
dispendio energetico elevato. Ad esempio, tra i mammiferi, ricordiamo
gli erbivori che si nutrono di un alimento immobile come le piante.
Anche gli organismi filtratori, come gli cnidari, che si lasciano
attraversare dall’acqua nutrendosi delle sostanze nutritive in essa
presenti.
Esistono organismi invece che non hanno bisogno di ricercare la preda
ma che riescono a sintetizzare le sostanze organiche di cui hanno
bisogno utilizzando sostanze inorganiche. Attraverso il processo
fotosintetico, utilizzano energia solare, anidride carbonica ed acqua per
sintetizzare il glucosio, una molecola organica ad alto contenuto
energetico secondo la reazione:
137
BIOLOGIA C3
6CO2 + 6H2O
C6H12O6 + 6 O2.
Tali organismi, chiamati produttori primari, sono alla base della
piramide trofica, di questi si nutrono gli erbivori o consumatori primari
i quali, a loro volta, costituiscono l’alimento dei carnivori o
consumatori secondari.
All’apice della piramide si trovano gli onnivori o consumatori terziari di
cui fa parte l’uomo. Esistono poi i decompositori, che utilizzano, come
nutrimento, i resti di organismi animali e vegetali, decomponendoli in
sostanze inorganiche di nuovo utilizzabili dai produttori primari. Tra un
livello trofico e l’altro abbiamo trasferimento di materia e diminuzione
di energia.
consumatori
terziari
predazione
Consumatori
secondari
predazione
Consumatori
primari
decompositori
pascolo
produttori
[fotosintesi]
mondo inorganico
Piramide trofica
Possiamo dedurne che gli animali ricavano energia da diverse fonti
(piante, animali, resti di organismi in decomposizione).
138
BIOLOGIA C3
Questa energia viene misurata in kilocalorie ma nel Sistema
Internazionale l’unità di misura dell’energia è il joule (1 caloria
equivale a 4,1868 joule).
Una kilocaloria è uguale a 1000 calorie. Una caloria è la quantità di
energia necessaria per innalzare da 14,5 °C a 15,5 °C la
temperatura di 1g di acqua distillata.
L’uomo ha bisogno di una differente quantità di energia, in base all’età,
al sesso, alla statura, all’attività fisica che svolge. Per vivere ha bisogno
di circa 2000-3000 calorie al giorno. Metà di tale energia serve per il
metabolismo basale ovvero per il mantenimento delle funzioni vitali in
fase di riposo, come la respirazione, l’attività del sistema nervoso, la
digestione, l’attività cardiaca ecc. Il metabolismo basale è più alto negli
uomini che nelle donne, che pertanto hanno bisogno di un minor
apporto di calorie.
Il cibo quindi rappresenta la fonte di energia, si tratta di energia
chimica, che deriva dalla rottura dei legami molecolari delle sostanze di
cui l’uomo si nutre. Queste sono sostanze organiche; in particolare
carboidrati, lipidi, proteine oltre ad altre sostanze come minerali,
vitamine ed acqua che non sono fonte di energia ma hanno un ruolo
fondamentale nello svolgimento delle funzioni vitali.
I carboidrati
I carboidrati o glucidi sono molecole ad alto contenuto energetico, essi
sono composti formati da carbonio, idrogeno e ossigeno. Comprendono
i monosaccaridi, che sono i carboidrati più semplici, di cui fanno parte
il glucosio (C6H12O6 con struttura atomica ciclica esagonale) e il
fruttosio suo isomero (C6H12O6 con struttura atomica ciclica
pentagonale), i disaccaridi, formati da due molecole di monosaccaridi
che reagiscono tra di loro con eliminazione di una molecola d’acqua.
Di questi fa parte il saccarosio o zucchero da tavola (C12H22O11) che si
forma dalla reazione tra una molecola di glucosio e una di fruttosio.
Infine i polisaccaridi sono i carboidrati più complessi e si formano
dalla reazione di più molecole di monosaccaridi, di cui fanno parte
l’amido, la cellulosa e il glicogeno.
139
BIOLOGIA C3
Struttura atomica di glucosio e fruttosio C6H12O6
I carboidrati vengono introdotti nel nostro organismo mediante
l’alimentazione. In particolare il glucosio e il fruttosio vengono
introdotti attraverso la frutta. Essi però sono anche contenuti nel miele e
in genere nei vegetali.
Il glucosio, essendo un carboidrato semplice, è facilmente digeribile e
rappresenta una fonte immediata di energia, perché attraverso l’apparato
di distribuzione, arriva alle singole cellule, dove viene utilizzato per la
glicolisi e per la respirazione cellulare.
I carboidrati più complessi, come i polisaccaridi, vengono scissi,
attraverso la digestione, in sostanze più semplici (monosaccaridi). Ad
esempio l’amido contenuto nelle patate, nei legumi, nel pane, nella
pasta, nei cereali, è un polimero del glucosio e attraverso la digestione,
viene prima scisso in sostanze semplici (glucosio) e poi distribuito alle
singole cellule. È necessario che la concentrazione di glucosio nel
sangue (glicemia) resti entro certi limiti, tra 60 mg/dl e 90 mg/dl.
L’elevato contenuto di glucosio, dovuto a un’alimentazione troppo ricca
di carboidrati, provoca il diabete oppure obesità.
Un polisaccaride che l’uomo non riesce a digerire è la cellulosa
contenuta nei vegetali, nei cereali integrali, nella frutta. Essa è
comunque utile in quanto favorisce l’espulsione delle sostanze di rifiuto
che attraversano l’intestino crasso.
I lipidi
I lipidi o grassi, sono costituiti da glicerolo e acidi grassi, rappresentano
una fonte di energia maggiore rispetto a quella fornita dai carboidrati
nonché una sostanza di riserva, accumulata nel tessuto adiposo, alla
140
BIOLOGIA C3
quale attingere in caso di digiuno prolungato oppure quando si ha
carenza di glucosio.
I grassi isolano anche dall’ambiente esterno, consentono ad alcuni
animali di sopportare le rigide temperature invernali, svolgono inoltre
un ruolo di riserva di vitamine, in particolare delle vitamine A, D, E e K
che, essendo liposolubili, vengono assorbite dai grassi e poi distribuite
alle cellule.
Attraverso l’alimentazione si introducono grassi sia di origine vegetale
che animale. Questi ultimi, come ad esempio burro e strutto di maiale,
sono grassi saturi dannosi per la salute dell’uomo, tendono infatti ad
accumularsi attorno alle pareti delle arterie provocandone
infiammazioni e indurimento (aterosclerosi). I grassi di origine vegetale
come l’olio di oliva, l’olio di semi, sono invece insaturi.
Un’alimentazione ricca di grassi provoca obesità, rischio di malattie
cardiache e tumori del colon.
Le proteine
Le proteine sono delle macromolecole che derivano dalla combinazione
di amminoacidi, che si legano attraverso un legame peptidico. Gli
amminoacidi sono composti quaternari formati da carbonio, idrogeno,
ossigeno e azoto. Le proteine vengono introdotte nell’organismo
attraverso l’alimentazione.
I processi digestivi le demoliscono in amminoacidi che, attraverso
l’apparato di distribuzione, vengono portati alle singole cellule, dove
verranno riassemblati per formare le proteine di cui è costituito
l’organismo.
Tutti gli esseri viventi, compreso l’uomo, presentano solo 20 tipi di
amminoacidi, che vengono utilizzati per costruire l’enorme quantità di
proteine presenti nel nostro corpo. Alcuni di essi vengono sintetizzati
direttamente dal nostro organismo ma altri devono essere introdotti
tramite l’alimentazione. Questi amminoacidi sono chiamati
amminoacidi essenziali e sono:
lisina, leucina, fenilalanina,
isoleucina, triptofano, valina, treonina e metionina.
141
BIOLOGIA C3
Tavola degli amminoacidi
La mancanza di uno solo di questi amminoacidi può provocare
l’interruzione, da parte delle cellule, della sintesi proteica. I cibi che
forniscono tali amminoacidi sono di origine animale come carne,
formaggio, uova e latte, e di origine vegetale come riso, fagioli, piselli,
cereali.
Quest’ultimo gruppo di alimenti contiene solo alcuni degli amminoacidi
essenziali pertanto se si sceglie di condurre una dieta vegetariana, che
esclude l’introduzione di proteine animali, affinché sia equilibrata, sarà
necessario saper abbinare bene gli alimenti per poter avere l’apporto di
tutti gli amminoacidi essenziali.
Nei paesi sottosviluppati, dove molte persone soffrono la fame e non
hanno la possibilità di assumere cibi di vario tipo, l’alimentazione
consiste prevalentemente di cereali e radici. In questo modo però non
vengono assunti tutti gli amminoacidi essenziali, pertanto l’organismo
provvede a questa carenza utilizzando le proteine del proprio corpo,
cominciando dalle proteine dei muscoli, questo provoca gonfiore
dell’addome e perdita di capelli.
142
BIOLOGIA C3
Diete invece troppo ricche di proteine possono causare problemi renali
in quanto, dalla demolizione delle proteine, si ottiene anche l’azoto, un
elemento che forma cataboliti azotati (ammoniaca NH3) che devono
essere espulsi dall’apparato escretore attraverso le urine. Quindi una
eccessiva quantità di azoto aumenta il lavoro dei reni.
Le Vitamine
Le vitamine sono composti organici indispensabili per lo svolgimento
delle funzioni vitali, l’uomo non è in grado di sintetizzarle pertanto
deve assumerle attraverso il cibo. La loro carenza provoca alcune
patologie. Ad esempio la mancanza di vitamina C provoca lo scorbuto
(sanguinamento di gengive, caduta dei denti e difficoltà nel rimarginare
le ferite). La mancanza di vitamina A provoca cecità.
Le vitamine necessarie all’uomo sono chiamate vitamine essenziali e
appartengono a due tipologie, quelle liposolubili (A, D, E, K) che si
accumulano nei grassi (assumerle in dosi eccessive può risultare
dannoso) e quelle idrosolubili che, tramite l’apparato di distribuzione,
arrivano alle cellule che le utilizzano per compiere diverse reazioni
chimiche. Assumere vitamine idrosolubili in dosi eccessive non è
pericoloso in quanto quelle in eccesso vengono eliminate attraverso le
urine.
Vitamina A: la si assume mangiando fegato, pesce, pomodori,
burro, uova, verdura verde, frutta gialla, latte e derivati. Controlla la
sintesi proteica, controlla la deposizione di calcio nelle ossa, forma la
rodospina nella retina (visione crepuscolare), è un antiossidante. I
sintomi di carenza si manifestano con cecità crepuscolare, cute
ruvida e secca, mucose aride.
Vitamina D: la si assume tramite alimenti come burro, tuorlo
d'uovo, fegato, salmone, sardine, tonno. È utile per l’assorbimento e
il metabolismo di calcio e del fosforo. Sono sintomi di carenza:
rachitismo, osteo-malacia, decalcificazione dei denti.
Vitamine E: la si assume mangiando ortaggi a foglia, oli vegetali,
tuorlo d'uovo, legumi, noci, mandorle, germe di grano. È utile per le
funzionalità muscolare, epiteliale, riproduttiva per il controllo della
sintesi della vitamina A. È un antiossidante.
143
BIOLOGIA C3
Vitamina K: la si assume mangiando cavoli, spinaci, ortaggi a
foglia, oli vegetali, pomodori. È prodotta dalla flora batterica
intestinale. La carenza di questa vitamina provoca problemi di
coagulazione del sangue.
Vitamina C: la si assume mangiando agrumi, peperoni, fragole,
meloni, pomodori, cavoli, patate. È un antiossidante, protegge dalle
infezioni, è utile per l’assorbimento del ferro e il mantenimento dei
tessuti. La carenza di questa vitamina provoca scorbuto, morbo di
Barlow, sanguinamento delle gengive. Fragilità capillare.
Vitamina B1: la si assume mangiando maiale, fegato, frattaglie,
prodotti integrali di cereali, mandorle, noccioline, legumi, patate,
funghi, riso . Controlla l’attività cardiaca, muscolare e nervosa,
controlla la crescita e consente il metabolismo dei carboidrati. La
carenza di questa vitamina provoca: beri-beri, anoressia, astenia,
stipsi.
Vitamina B2: la si assume mangiando fegato, latte, carni, uova,
ortaggi verdi, riso. È un componente
enzimatico,
utile
nel
metabolismo glicidico e degli amminoacidi.
Vitamina B3: La si assume mangiando latte, uova, frutta, verdura,
fegato. Favorisce il metabolismo proteico, dei grassi e dei
carboidrati.
Vitamina B6: la si assume mangiando maiale, frattaglie, legumi
freschi e secchi, cereali, patate, banane, spinaci. È utile nel
metabolismo dei grassi e degli amminoacidi e nella formazione dei
globuli rossi.
Vitamina PP: la si assume mangiando fegato, pollame, carni, pesci,
cereali integrali, legumi, funghi. È utile nel metabolismo glicidico e
degli amminoacidi. La carenza di questa vitamina provoca pellagra,
dermatite, demenza, diarrea.
Acido folico: lo si assume mangiando ortaggi verdi, fegato, lievito di
birra, carni, pesci, legumi, cerali integrali. È indispensabile per la
formazione del sangue e per la funzionalità delle mucose digerenti.
Vitamina B12: la si assume mangiando fegato, rognone, carni, latte,
pesce. È indispensabile per la formazione del sangue, per la
144
BIOLOGIA C3
funzionalità del sistema nervoso, favorisce l'utilizzazione delle
proteine.
Vitamina F: la si assume mangiando olio vegetale, abbassa il tasso
di colesterolo nel sangue.
I Minerali
I minerali sono elementi chimici inorganici che vengono introdotti nel
nostro organismo attraverso gli alimenti, l’acqua e il latte, sono
indispensabili per lo svolgimento delle funzioni vitali.
I minerali che dobbiamo assumere in quantità superiori allo 0,1 g al
giorno sono:
il calcio presente nelle ossa è indispensabile per rigenerare il tessuto
osseo; lo si assume mangiando latte e formaggio;
lo zolfo serve per la formazione di cartilagini, si assume con la
carne;
il cloro è importante per la formazione del succo gastrico;
il sodio e il potassio sono importanti per la regolazione del bilancio
idrico e per il funzionamento dei muscoli; cloro e sodio si assumono
tramite il sale da cucina mentre il potassio grazie a frutta, verdure,
carne e latte;
il magnesio interessa la formazione delle ossa e interviene nella
sintesi proteica; lo si trova nelle noci, nelle verdure e nei cereali
integrali.
I minerali che dobbiamo assumere in quantità inferiori allo 0,1 g al
giorno sono:
il ferro presente nella molecola dell’emoglobina è
indispensabile per il trasporto dell’ossigeno nel sangue, lo si può
assumere mangiando carne, uova, legumi e verdure;
il fluoro è indispensabile per mantenere in salute denti e ossa,
viene assunto attraverso il pesce e l’acqua;
lo iodio presente negli ormoni tiroidei, è indispensabile per il
corretto funzionamento della tiroide, è contenuto nel pesce, nei
molluschi e nei latticini;
lo zinco si trova negli enzimi digestivi ed è contenuto in vari
alimenti.
145
BIOLOGIA C3
Le quantità di minerali che l’uomo deve assumere nel corso della vita,
variano a seconda dell’età, del sesso, dello stato di salute. Una donna in
gravidanza dovrà assumere maggiori quantità di ferro mentre una donna
in menopausa avrà bisogno di maggiori quantità di calcio per non
incorrere nella osteoporosi (fragilità delle ossa).
9.2 Rischi legati all’alimentazione sbagliata
L’uomo, per vivere in modo sano, deve avere un’alimentazione
adeguata e corretta, pertanto oltre ad assumere, attraverso il cibo, le
calorie in proporzione al peso corporeo e allo stile di vita che conduce,
ha bisogno anche di una giusta quantità di minerali e vitamine.
È possibile seguire una dieta sana ed equilibrata con i consigli proposti
all’interno della piramide alimentare, che fornisce indicazioni sulla
quantità e sulla qualità del cibo da assumere.
Seguire una corretta alimentazione previene il rischio di numerose
malattie. Nel caso di una dieta ricca di grassi (ipernutrizione), vi è un
apporto energetico troppo elevato che si traduce in sovrappeso e nei casi
più gravi in obesità; al contrario una dieta povera di carboidrati, di
proteine e di grassi (iponutrizione) comporterebbe un apporto
insufficiente di energia e pertanto l’organismo userebbe le proteine del
proprio corpo e dei propri tessuti.
Questa condizione può essere dovuta sia alla carenza di cibo sia a
patologie nervose che spingono l’individuo a rifiutare il cibo, come
l’anoressia, una malattia che comporta una perdita eccessiva di peso e
nei casi più gravi porta alla morte.
La bulimia è una malattia che porta l’individuo a mangiare in maniera
compulsiva grandi quantità di dolci e cibi vari. È anche essa una forma
di iponutrizione in quanto, attraverso il vomito, che l’individuo che ne
soffre volontariamente si procura o attraverso l’utilizzo di lassativi,
l’organismo non assume tutto il nutrimento di cui ha bisogno per vivere.
Un’alimentazione insufficiente può procurare, come si è detto, gravi
malattie. In questo caso si parla di malnutrizione. Essa è presente nei
paesi più poveri ma ne possono soffrire anche coloro che non si
alimentano correttamente e che eliminano volontariamente dalla loro
dieta carboidrati, proteine, vitamine o minerali.
146
BIOLOGIA C3
La nuova piramide alimentare
147
BIOLOGIA C3
9.3 Apparato digerente
Il compito dell’apparato digerente è quello di digerire, cioè demolire le
sostanze assunte mediante il cibo, di trasformare le sostanze complesse
in sostanze semplici che possono essere assimilate dalle cellule.
La digestione può essere intracellulare o extracellulare. Negli organismi
più semplici, come ad esempio dei Poriferi o Spugne, la digestione è
intracellulare, cioè attraverso l’acqua, entrano nelle cellule
dell’organismo, piccole particelle di cibo, le quali vengono demolite da
enzimi digestivi e trasformate in sostanze nutritive che vengono
utilizzate dalle cellule per lo svolgimento delle funzioni cellulari.
Spugna marina (Aplysina aerophoba)
La gran parte degli animali utilizza invece la digestione extracellulare,
in cui si ha prima un trattamento meccanico del cibo, dovuto alle grandi
dimensioni del cibo ingerito, e poi un trattamento chimico, che avviene
all’esterno delle cellule e all’interno di una cavità del corpo.
Gli animali che presentano il più semplice apparato digerente avente
una sola apertura, la bocca, sono gli Cnidari e i Platelminti, attraverso
tale apertura entrano le particelle alimentari ed escono le sostanze di
rifiuto.
148
BIOLOGIA C3
Negli Cnidari, ad esempio, le cellule che tappezzano la cavità del corpo
(celenteron o cavità gastrovascolare) secernono enzimi all’interno di
tale cavità, digerendo le particelle di cibo che vengono trasformate in
sostanze semplici, le quali saranno poi assorbite dalle cellule.
Negli organismi più complessi (vertebrati compreso l’uomo) invece vi è
un apparato digerente con due aperture, bocca ed ano, il corpo cioè è
attraversato da un canale alimentare aperto alle due estremità, pertanto
l’alimento, che viene introdotto attraverso la bocca, incontrerà vari
organi deputati ad una serie di processi digestivi fino ad arrivare all’ano
dal quale verranno espulse le particelle indigerite.
Il processo digestivo avviene attraverso varie fasi. Inizia portando alla
bocca il cibo (ingestione), in tale cavità comincia la masticazione
(digestione meccanica), cioè la riduzione del cibo in particelle di
piccole dimensioni in modo da aumentare la superficie di attacco da
parte degli enzimi digestivi. Continua con la digestione chimica in cui
le particelle di cibo vengono attaccate dagli enzimi e ridotte in sostanze
semplici. Queste sostanze vengono assorbite dalle cellule intestinali e
trasportate dall’apparato di distribuzione a tutte le cellule del corpo.
Infine l’eliminazione in cui tutte le sostanze non assimilate vengono
espulse tramite l’ano.
Gli organi che formano l’apparato digerente dei vertebrati sono: la
bocca, la faringe, l’esofago, lo stomaco, l’intestino tenue e l’intestino
crasso. Vi sono poi le ghiandole, come le ghiandole salivari, il fegato, il
pancreas che contribuiscono ai processi digestivi attraverso i prodotti da
loro secreti.
La prima fase della digestione avviene nella bocca, dove il cibo viene
sminuzzato grazie all’azione dei denti, gli uomini adulti presentano una
dentatura di 32 denti (16 arcata dentaria superiore e 16 arcata dentaria
inferiore) ogni arcata è costituita da 4 incisivi, che servono per tagliare
il cibo, 2 canini appuntiti utilizzati per trattenere il cibo, 4 premolari e 6
molari utilizzati per la masticazione.
L’interno della cavità boccale è rivestito da una mucosa nella quale si
trovano le ghiandole salivari che secernono saliva, un liquido che
contiene enzimi e muco. L’amilasi, è l’enzima digestivo contenuto nella
saliva che serve a demolire l’amido presente nei carboidrati mentre il
muco serve per agglutinare le particelle di cibo formando il bolo.
149
BIOLOGIA C3
Schema dell’apparato digerente umano
Questo viene spinto dalla lingua verso la faringe grazie anche alla
presenza di una valvola, l’epiglottide, che ostruisce il passaggio del
150
BIOLOGIA C3
bolo nella trachea e lo indirizza verso la faringe, una cavità imbutiforme
che collega la bocca all’esofago.
Il bolo quindi, attraverso la faringe, arriva all’esofago, un tubo lungo
circa 25 cm che lo porta allo stomaco. I movimenti peristaltici
(contrazione della muscolatura circolare e longitudinale dell’esofago),
lo spingono verso lo stomaco. In questo modo è possibile deglutire
anche stando a testa in giù, in quanto non è la forza di gravità che porta
il bolo allo stomaco ma i movimenti peristaltici della muscolatura
dell’esofago. Il bolo passa nello stomaco attraverso il cardias una
valvola che chiudendosi, ostacola il reflusso gastroesofageo, cioè la
risalita del contenuto dello stomaco nell’esofago. Lo stomaco è
un’espansione del tubo digerente, grazie alla presenza nel suo interno di
pieghe è in grado di dilatarsi quando vi arriva il cibo, la sua funzione è
quella di immagazzinare il cibo e successivamente di condurre l’idrolisi
delle proteine, cioè la scissione in amminoacidi, grazie alla produzione
del succo gastrico da parte delle cellule della sua parete.
Endoscopia di uno stomaco normale
Il succo gastrico è composto da acido cloridrico ed enzimi, l’acido
cloridrico rende acido il pH del succo gastrico, in modo da uccidere i
batteri che vengono ingeriti attraverso il cibo e scinde in sostanze più
semplici le proteine e tutto il materiale alimentare ingerito.
151
BIOLOGIA C3
La scissione delle proteine in amminoacidi è possibile grazie alla
produzione del pepsinogeno, prodotto dalle cellule delle fossette
gastriche presenti nella parete dello stomaco, esso venendo a contatto
con l’HCl viene trasformato in pepsina, un enzima che demolisce le
proteine e quindi potenzialmente dannoso anche per le cellule delle
pareti dello stomaco.
Per evitare danni, un muco riveste la parete ma, nonostante il muco, la
pepsina e anche l’HCl, possono in alcuni casi lesionare la parete
provocando l’ulcera. La muscolatura liscia della parete dello stomaco,
contraendosi, mescola il cibo al succo gastrico, formano una poltiglia
liquida e acida, chiamata chimo. Il chimo lascerà un po’ alla volta lo
stomaco, impiegando da una a quattro ore (arco di tempo necessario per
digerire un pasto), dirigendosi poi, attraverso una seconda valvola
(piloro) che collega lo stomaco all’intestino, verso il primo tratto
dell’intestino tenue (duodeno). L’intestino tenue ha il compito di
completare la digestione avvalendosi anche della collaborazione di
ghiandole accessorie, il pancreas e il fegato.
Il pancreas è una ghiandola ad azione esocrina ed endocrina, si trova in
prossimità del duodeno e riversa in esso il succo pancreatico, formato
da enzimi digestivi, quali le proteasi che demoliscono le proteine, le
lipasi che demoliscono i grassi e l’amilasi che demolisce i carboidrati
già parzialmente digeriti nella bocca. Il pancreas e la mucosa intestinale
secernono anche enzimi (nucleasi), che sono in grado di spezzare gli
acidi nucleici nei nucleotidi da cui sono formati.
Inoltre il pancreas riversa nel duodeno il bicarbonato per attenuare
l’acidità del chimo, visto che l’intestino ha bisogno di lavorare in un
ambiente meno acido.
Altre cellule del pancreas, le isole di Langerhans, producono invece
ormoni, insulina e glucagone, che vengono immessi nel sangue per
mantenere entro certi limiti la concentrazione del glucosio.
Il fegato è una grossa ghiandola, pesa circa 1,5 kg, costituita da cellule
epatiche avvolte da numerosi capillari, svolge diverse funzioni. Produce
la bile, un liquido giallo-verde emulsionante dei grassi che attraverso il
dotto biliare, viene raccolto nella cistifellea, un organo situato in
prossimità del fegato. La cistifellea a sua volta riversa la bile nel
duodeno e va a demolire i grassi presenti nel chimo. Oltre a produrre la
152
BIOLOGIA C3
bile, il fegato, distrugge i globuli rossi vecchi del sangue, depura il
sangue da tutte le sostanze tossiche assorbite mediante l’intestino, infine
immagazzina vitamine e glucosio (sotto forma di glicogeno) che riversa
nel sangue quando il suo livello si abbassa.
L’intestino tenue è un tubo lungo circa sei metri, il duodeno rappresenta
il tratto iniziale, seguito poi dal digiuno e dall’ileo. Nell’ileo si
completa la digestione e le proteine vengono scisse in amminoacidi, i
grassi in acido grasso e glicerina, i carboidrati in zuccheri semplici.
Tutte queste sostanze vengono assorbite dalla parete intestinale che è
formata da numerose pieghe, dette villi, percorsi da capillari sanguigni,
che riversano le sostanze assorbite nel sangue, e da vasi linfatici che
riversano i grassi nel sistema linfatico. Ogni villo è ricoperto
esternamente da microvilli ed entrambi aumentano la superficie di
assorbimento della parete intestinale.
Villi intestinali
L’assorbimento avviene tramite trasporto attivo o passivo. Il risultato
finale è quello di trasportare le sostanze digerite nei vasi sanguigni che
a loro volta le trasportano al fegato, il quale le depura dalla presenza di
eventuali sostanze
tossiche, e infine vengono immesse nella
circolazione arrivando a tutte le cellule del corpo. Quello che non viene
153
BIOLOGIA C3
assorbito e che resta nell’intestino tenue passa all’intestino crasso: si
tratta di acqua, ioni,vitamine e sostanze non digerite.
L’intestino crasso non prosegue la digestione, ha la funzione di
riassorbire i liquidi. È un tubo di circa 1,50 m di lunghezza e ha un
diametro maggiore di quello tenue, è costituito da una parte a fondo
cieco, dal colon e dal retto.
La parte a fondo cieco presenta l’appendice vermiforme o ileocecale,
che non ha un ruolo nella digestione ma, grazie alla presenza di tessuto
linfatico, contribuisce alla difesa dell’organismo da infezioni intestinali,
spesso può infiammarsi e deve essere asportata chirurgicamente.
La maggior parte del recupero dei liquidi, ioni e vitamine avviene nel
colon che è costituito da un tratto ascendente, un tratto traverso e uno
discendente.
Intestino crasso (il colon è colorato in blu):
1. Valvola ileo-ciecale, 2. Cieco, 3.
Appendice
vermiforme,
4.
Colon
ascendente, 5. Flessura epatica, 6. Colon
trasverso, 7. Flessura splenica, 8. Colon
discendente, 9. Colon sigmoideo, 10. Retto.
Al suo interno vivono numerosi batteri, come l’Escherichia coli, che
costituiscono la flora intestinale, essi si nutrono delle sostanze nutritive
che non vengono assorbite dall’intestino tenue. In seguito alla loro
attività vitale i batteri producono sostanze gassose e vitamine (K, B1,
B2, B12) che vengono poi assorbite dal colon. Il materiale indigerito
viene quindi disidratato e accumulato nel retto, il tratto terminante del
colon discendente, per essere poi espulso, da movimenti intestinali,
sottoforma di feci (materiale indigerito, batteri e cellule intestinali
morte), attraverso l’ano.
A volte il materiale espulso non è solido ma contiene ancora un elevato
contenuto d’acqua (dissenteria), ciò è dovuto all’irritazione della parete
del colon in seguito alla presenza di batteri parassiti o all’alterazione
della flora batterica, che impedisce il riassorbimento dei liquidi.
154
BIOLOGIA C3
Il complesso processo digestivo, costituito da una fase meccanica e una
chimica, è controllato e regolato dal sistema nervoso che innesca la
produzione di ormoni, i quali a loro volta regolano la secrezione di
enzimi digesti.
155
BIOLOGIA C3
Approfondimenti
Esperienza di laboratorio i carboidrati
http://www.itchiavari.org/chimica/lab/carboidr.html
Il sistema digestivo, video
http://www.biology-innovation.co.uk/pages/human-biology/thedigestive-system/
Regolamento del parlamento europeo che stabilisce i principi e i
requisiti generali della legislazione alimentare, istituisce l'Autorità
europea per la sicurezza alimentare e fissa procedure nel campo della
sicurezza alimentare
http://eurlex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2002:031:0001:002
4:IT:PDF
Corrispondenza cibo-calorie
http://www.balancek.com/info/foodsIT.html
Videolezioni
Apparato digerente
http://lezioni.matematicamente.it/secondaria-secondogrado/biologia/2520-apparato-digerente.html
156
BIOLOGIA C3
10. La circolazione e la respirazione
10.1 Le componenti del sangue
Il sangue è un tessuto connettivo nel quale la matrice intercellulare è
costituita da un liquido. Nei vertebrati è composto da una parte solida
formata da tre tipi di cellule, globuli rossi o eritrociti, globuli bianchi o
leucociti e piastrine o trombociti e da una parte liquida che è il plasma.
Un individuo adulto possiede circa 5 litri di sangue, ogni millimetro
cubo di sangue contiene circa 4-6 milioni di globuli rossi, 5 o 7 mila
globuli bianchi e circa 300 mila piastrine. Se preleviamo un campione
di sangue umano e lo centrifughiamo in una provetta, otteniamo la
separazione dei suoi componenti. Vedremo che esso è formato per la
maggior parte da plasma (55%) e per il restante 45% dalle particelle del
sangue, di queste solo l’1% è rappresentato da globuli bianchi e
piastrine mentre il 44% da globuli rossi.
Tutte le cellule del sangue hanno origine da cellule staminali
(emocitoblasti) presenti nel midollo osseo, tranne un gruppo di globuli
bianchi (linfociti) che ha origine dal tessuto linfoide del midollo osseo e
157
BIOLOGIA C3
di altri organi linfatici. Tutte le cellule del sangue, al termine della loro
vita, vengono distrutte principalmente nella milza, in misura minore in
altri organi: fegato, linfonodi ecc.
Sangue umano osservato al microscopio elettronico.
a.globuli rossi, b. neutrofili, c. eosinofili, d.linfociti
Il sangue svolge diverse funzioni, trasporta ossigeno e sostanze nutritive
a tutte le cellule del corpo e da esse preleva le sostanze di rifiuto
(cataboliti azotati ai reni e anidride carbonica ai polmoni), trasporta
ormoni indispensabili per l’attivazione di enzimi che regolano le
funzioni vitali delle cellule, trasporta globuli bianchi che difendono
l’organismo dalle infezioni, distribuisce il calore prodotto dai processi
metabolici e dall’attività muscolare in modo tale da mantenere costante
la temperatura del corpo intorno ai 37 °C (omeotermia),
indipendentemente dalla temperatura dell’ambiente esterno.
Esistono infatti una serie di strategie che hanno un ruolo determinante
nei meccanismi di termoregolazione e che permettono di produrre
calore dall’interno, quando la temperatura esterna è bassa oppure di
liberare calore quando la temperatura esterna è alta.
158
BIOLOGIA C3
Ad esempio, se la temperatura dell’ambiente esterno è troppo bassa, il
corpo tenderebbe a disperdere calore. Per evitare tale dispersione, il
corpo reagisce con il brivido ovvero, attraverso la contrazione dei
muscoli e la conseguente produzione di calore. Inoltre, i vasi sanguigni
della cute tendono a restringersi (vasocostrizione) così da riversare tutto
il sangue dalla superficie del corpo verso l’interno. In questo modo le
zone periferiche avranno una temperatura inferiore e ciò ridurrà la
dissipazione del calore verso l’esterno. Anche il rivestimento corporeo
(i peli per i mammiferi e le piume per gli uccelli) contribuisce a
trattenere il calore.
Al contrario, quando la temperatura dell’ambiente esterno è troppo alta,
il corpo ha difficoltà a disperdere il calore, allora esso reagisce con la
sudorazione, ovvero la produzione di un liquido, da parte delle
ghiandole sudoripare, che evaporando sottrae calore e abbassa la
temperatura corporea. Il corpo dilata poi i vasi sanguigni sottocutanei
(vasodilatazione) in maniera tale da apportare maggiore quantità di
sangue dall’interno del corpo verso le zone periferiche, che in questo
modo avranno una temperatura maggiore, ciò favorirà la dispersione di
calore.
Il vantaggio dell’omeotermia è che tutti i processi biochimici
avvengono a velocità costante, senza avere un rallentamento del
metabolismo dovuto alle eventuali variazioni di temperatura corporea.
La maggior parte degli animali però è eteroterma (anfibi, rettili, pesci e
tutti gli invertebrati), cioè hanno la temperatura interna che dipende da
quella dell’ambiente esterno. Non hanno quindi meccanismi di
termoregolazione, né sono in grado di produrre calore dall’interno ma
devono assorbirlo dall’ambiente esterno, ad esempio le lucertole restano
per ore al sole per innalzare la temperatura corporea oppure si spostano
all’ombra per abbassarla.
Globuli rossi o eritrociti
I globuli rossi sono cellule a forma di disco biconcavo, una forma che
consente di avere una maggiore superficie a parità di volume. Ciò
consente di aumentare l’efficienza degli scambi con l’ambiente esterno.
Quando i globuli rossi raggiungono la maturità sono privi del nucleo,
159
BIOLOGIA C3
del mitocondrio e di altri organuli cellulari in quanto hanno bisogno di
spazio per le proteine, come ad esempio l’emoglobina.
Fisiologia dell’emoglobina
L’emoglobina è una proteina con struttura quaternaria, costituita cioè
da quattro catene polipeptidiche in ognuna delle quali è presente un
gruppo eme che contiene un atomo di ferro (che conferisce a tali globuli
160
BIOLOGIA C3
il colore rosso), che si lega con una molecola di ossigeno, quindi ogni
emoglobina trasporta quattro molecole di ossigeno.
Il legame con l’ossigeno avviene quando il sangue arriva ai polmoni e
da qui viene trasportato alle singole cellule del corpo che, a loro volta,
rilasceranno anidride carbonica, la quale non si legherà al ferro ma alle
catene polipeptidiche dell’emoglobina. Quest’ultima attraverso il
sangue verrà di nuovo trasportata ai polmoni dove rilascerà anidride
carbonica e si legherà di nuovo con l’ossigeno.
In media i globuli rossi vivono circa 120 giorni, passato tale periodo
vengono distrutti nella milza e sostituiti da altri eritrociti prodotti dalle
cellule del midollo osseo. In seguito a gravi emorragie o ferite, la
perdita di sangue provoca una diminuzione di eritrociti e quindi di
ossigeno nel sangue. Quando ai reni e al fegato arriva sangue con un
basso contenuto di ossigeno, essi producono l’eritropoietina, che
raggiunge le cellule del midollo osseo e le stimola a produrre nuovi
eritrociti ristabilendone il numero. La produzione di eritrociti terminerà
quando si abbasseranno i livelli di eritropoietina in seguito all’arrivo di
sangue ricco di ossigeno nei reni e nel fegato.
Negli invertebrati invece, non è la molecola dell’emoglobina a
trasportare ossigeno, ad esempio negli artropodi è l’emocianina, al suo
interno è contenuto rame al posto di ferro pertanto il sangue avrà una
colorazione blu e non rossa.
Globuli bianchi o leucociti
Sono cellule di forma sferica o appiattita, più grandi degli eritrociti.
Hanno il nucleo, alcuni producono estensioni del citoplasma che vanno
a formare gli pseudopodi con i quali si muovono attraverso le pareti dei
vasi sanguigni per raggiungere le zone colpite da infezioni oppure per
catturare particelle estranee da fagocitare. La loro funzione è quella di
difendere il nostro corpo da organismi patogeni. Si distinguono tre
categorie: i linfociti che producono anticorpi per distruggere gli
organismi patogeni (virus, batteri, protisti, funghi), i monociti, sono
quelli che hanno dimensioni maggiori e una maggiore azione
fagocitaria, i granulociti, possono essere neutrofili, basofili, eosinofili o
acidofili (tali nomi derivano dalla capacità di assorbire determinati
161
BIOLOGIA C3
coloranti), hanno il citoplasma ricco di granuli, fagocitano batteri e
producono sostanze anticoagulanti per cicatrizzare le ferite.
Piastrine o trombociti
Le piastrine sono frammenti di cellule giganti presenti nel midollo
osseo, derivano da cellule speciali dette megacariociti, mancano di
nucleo e sono fondamentali per la coagulazione del sangue, bloccano
emorragie o rimarginano ferite. Senza il loro intervento, basterebbe una
piccola ferita, per perdere tutto il sangue contenuto nel nostro corpo.
Vivono in media 10 giorni, vengono distrutte nella milza o nel fegato e
rigenerate nel midollo osseo.
In seguito alla rottura di un vaso sanguigno intervengono le piastrine
che aderiscono al collagene della parete del vaso formando un tappo che
chiude la zona danneggiata. Esse rilasciano delle sostanze che
innescano una serie di reazioni a cascata in cui il prodotto di ogni
reazione agisce da catalizzatore per la reazione successiva. La
162
BIOLOGIA C3
protrombina (una proteina) è trasformata in trombina, che catalizza la
trasformazione del fibrinogeno, normalmente presente nel plasma, in
fibrina. I filamenti di fibrina formano una rete che intrappola i globuli
rossi, creando il coagulo. A volte il meccanismo di coagulazione può
essere difettoso. Ad esempio le persone affette da emofilia, una malattia
ereditaria che consiste nella non coagulazione del sangue, possono
perdere notevoli quantità di sangue anche da una piccola ferita, pertanto
devono somministrare periodicamente una proteina che consenta, in
caso di necessità, l’attivazione del meccanismo di coagulazione.
Un difetto contrario invece è la tendenza a formare coaguli all’interno
di vasi sanguigni, chiamati trombi (se restano localizzati all’interno dei
vasi) oppure emboli (se vengono trasportati dal sangue provocando
ostruzioni di altri vasi sanguigni).
Plasma
Il plasma rappresenta la parte liquida del sangue, è costituito per circa il
91% di acqua e per il restante da altre sostanze disciolte come sali
inorganici, gas disciolti (O2 e CO2), ormoni, anticorpi, lipidi, zuccheri e
soprattutto proteine come l’albumina, il fibrinogeno e le globuline. Il
ruolo fondamentale è quello di trasportare tutte le cellule del sangue.
10.2 La circolazione in sistemi aperti o chiusi
Gli organismi unicellulari o gli organismi più semplici come i Poriferi,
gli Cnidari, i Platelminti, sono privi di un apparato circolatorio. Ad
esempio nei Poriferi le cellule ricevono le sostanze nutritive e
l’ossigeno direttamente dall’ambiente esterno.
Negli organismi più complessi come negli invertebrati, vi è un sistema
di trasporto di queste sostanze, ad esempio negli artropodi vengono
trasportate da un liquido (emolinfa), privo però di ossigeno, che scorre
all’interno di un vaso dorsale contrattile che presenta dei pori (ostioli)
attraverso i quali l’emolinfa fuoriesce e bagna tutte le cellule.
Questo tipo di circolazione è detta circolazione aperta, in cui cioè i
vasi terminano prima di arrivare alle singole cellule, in quanto non
esistono capillari, e riversano il loro contenuto direttamente in ampie
lacune o interstizi fra le cellule. In un secondo momento l’emolinfa
ritorna al vaso dorsale.
163
BIOLOGIA C3
Negli anellidi e nei vertebrati, compreso l’uomo, c’è un altro tipo di
circolazione, il sangue scorre sempre all’interno di vasi sanguigni che
terminano con capillari che arrivano alle singole cellule: questo tipo di
circolazione si chiama circolazione chiusa ed è più efficiente in quanto
l’ossigeno e le sostanze nutritive raggiungono molto più velocemente e
più facilmente tutte le cellule del corpo. L’uomo presenta una
circolazione chiusa, in cui il flusso sanguigno trasporta le sostanze
nutritive, l’ossigeno e altre sostanze a tutte le cellule del corpo. Il
sangue scorre all’interno di vasi sanguigni grazie alla spinta che riceve
dal cuore.
Circolazione del sangue nel cuore umano
Il cuore è un organo muscolare, situato nel torace, costituito da quattro
cavità, due superiori chiamate atri (destro e sinistro) e due inferiori
chiamate ventricoli (destro e sinistro), esso si contrae ritmicamente a
partire da cellule (cellule pacemaker) situate nell’atrio destro ed in
particolare in una zona detta nodo senoatriale, esse si contraggono ed
inviano un impulso elettrico (molto simile a quello delle cellule
164
BIOLOGIA C3
nervose) agli atri che a loro volta contemporaneamente si contraggono.
Si tratta quindi di una contrazione involontaria, non controllata dal
sistema nervoso. L’impulso elettrico generato dal nodo senoatriale, con
un leggero ritardo (0,1 secondi), raggiunge anche il nodo
atrioventricolare, una regione in cui l’atrio destro si collega con il
ventricolo destro, provocando la contrazione dei ventricoli a partire
dagli apici, in questo modo il sangue viene spinto in tutto il corpo.
La circolazione del sangue è quindi possibile grazie alla contrazione
degli atri che spinge il sangue nei ventricoli, i quali a loro volta si
contraggono spingendo il sangue nelle arterie che lo trasportano ai
polmoni (circolazione polmonare o piccola circolazione) e al resto del
corpo (circolazione sistemica o grande circolazione). Inizialmente il
cuore è rilassato e le valvole atrioventricolari sono aperte, cioè è in
diastole (0,4 secondi), poi gli atri si contraggono (0,1 sec) e a questi
segue la contrazione dei ventricoli (0,3 sec), questa fase di contrazione è
detta sistole. L’alternarsi di sistole e diastole dura circa 0,8 secondi e
determina il battito cardiaco (il cuore compie circa 60-70 battiti al
minuto). Precisamente il battito è il “suono” composto da due colpi; il
primo è prodotto dalla contrazione dei ventricoli e dalla spinta del
sangue che sbatte contro le valvole atrioventricolari, il secondo dallo
scatto provocato dalla chiusura delle valvole semilunari (quelle in uscita
dal cuore).
Nell’uomo quindi è presente una doppia circolazione. Partendo dalla
circolazione polmonare, il sangue venoso, ricco di anidride carbonica e
proveniente dai tessuti del corpo, attraverso la vena cava (superiore e
inferiore), arriva all’atrio destro che si contrae spingendo il sangue nel
ventricolo destro. Il passaggio dall’atrio al ventricolo destro avviene
attraverso la valvola atrioventricolare o valvola tricuspide che
chiudendosi impedisce il ritorno del sangue nell’atrio destro.
Successivamente il ventricolo destro si contrae e spinge il sangue
attraverso la valvola semilunare polmonare nelle arterie polmonari, le
quali conducono il sangue ai capillari polmonari. Qui il sangue rilascia
anidride carbonica che verrà espulsa attraverso l’espirazione e si
ossigena attraverso l’aria inspirata. Il sangue ricco di ossigeno ritorna al
cuore, precisamente nell’atrio sinistro, attraverso le vene polmonari.
L’atrio sinistro si riempie di sangue ossigenato (arterioso) e
165
BIOLOGIA C3
successivamente si contrae (sistole) spingendolo, attraverso la valvola
mitrale o bicuspide al ventricolo sinistro che si dilata accogliendo il
sangue (diastole).
Successivamente si ha la contrazione del ventricolo sinistro che
comporta l’apertura della valvola semilunare aortica e il passaggio del
sangue ossigenato nell’aorta che lo porta a tutte le cellule del corpo,
queste preleveranno l’ossigeno dal sangue e immetteranno di nuovo
anidride carbonica, il sangue venoso arriverà di nuovo all’atrio destro e
ricomincerà il percorso.
La circolazione nell’uomo è quindi doppia, come in tutti i mammiferi,
(il sangue passa due volte attraverso il cuore) e completa, in quanto il
sangue venoso non si mischia mai al sangue arterioso.
10.3 Sistema circolatorio
Il sistema circolatorio dell’uomo è formato dal cuore e dai vasi
sanguigni attraverso cui scorre il sangue. I vasi sanguigni sono le
arterie, i capillari e le vene.
Le arterie sono vasi formati da tre tipi di tessuti, la parete interna
rivestita da tessuto epiteliale, lo strato esterno formato da tessuto
connettivo e lo strato intermedio da fibre muscolari. Esse trasportano il
sangue ossigenato; partono dal cuore e si ramificano in arteriole, le
quali diventano sempre più sottili fino a formare i capillari. In seguito
alle contrazioni cardiache il sangue viene spinto ad alta pressione nelle
arterie che, avendo pareti elastiche, si dilatano. La pressione assicura al
sangue la spinta necessaria per arrivare a tutte le cellule del corpo, essa
diminuisce man mano che le arterie si allontanano dal cuore; per questo
valori normali della pressione arteriosa sono indice di buona salute: 120
come pressione massima o pressione sistolica e 80 come pressione
minima o pressione diastolica.
166
BIOLOGIA C3
Schema dell’apparato circolatorio umano
167
BIOLOGIA C3
I capillari sono dei vasi sottilissimi (8 µm di diametro) che attraverso la
loro parete, costituita solo da cellule del tessuto epiteliale (endotelio),
diffondono alle singole cellule ossigeno e sostanze nutritive prelevando
anidride carbonica e sostanze di rifiuto.
Il sangue ricco di tali sostanze è detto venoso e attraverso una fitta rete,
detta letto capillare, passa dai capillari alle venule (vasi più spessi dei
capillari) e prosegue nelle vene, vasi molto spessi che portano il sangue
dai tessuti al cuore.
Le pareti delle vene presentano una muscolatura meno sviluppata di
quella delle arterie. Da queste pareti partono verso l’interno delle
valvole (valvole semilunari o a nido di rondine) che assicurano
unidirezionalità al flusso sanguigno dirigendolo verso il cuore. Tale
percorso è favorito anche dalla contrazione dei muscoli scheletrici
aderenti alle vene. Il flusso sanguigno nelle vene scorre più lentamente
ed è a pressione minore rispetto a quello che scorre nelle arterie. Le
uniche vene che trasportano sangue ossigenato sono le vene polmonari.
10.4 Malattie cardiache
Sono numerose le malattie legate al malfunzionamento del cuore e di
conseguenza dell’intera circolazione sanguigna. Tra le più diffuse vi è
l’angina pectoris (infarto) dovuta ad un’occlusione delle arterie
coronarie in seguito alla formazione di un coagulo che blocca il flusso
sanguigno al cuore; se il coagulo si forma in un’arteria del cervello
allora si avrà l’ictus.
Una delle cause di formazione del coagulo è dovuta all’accumulo di
colesterolo nelle arterie, che provoca indurimento della parete
(aterosclerosi) e il restringimento del loro lume (spazio interno) con
formazione di placche (ateromi) le quali attivano le piastrine per
formare un coagulo. L’aterosclerosi può provocare ipertensione,
ovvero valori di pressione arteriosa troppo alti, che possono causare
l’aneurisma, ovvero la dilatazione delle arterie. Quest’ultima può
interessare tutti i vasi sanguigni ma generalmente si verifica nell’aorta o
nelle arterie del cervello e in alcuni casi tale dilatazione può portare
anche alla rottura dell’arteria.
168
BIOLOGIA C3
Il malfunzionamento delle valvole venose impedisce al sangue di
tornare verso il cuore, accumulandosi nelle vene che si dilatano, tale
dilatazione prende il nome di vena varicosa.
Anche le valvole del cuore possono essere difettose, durante la
contrazione dei ventricoli ad esempio la valvola mitrale e tricuspide
dovrebbero chiudersi ma un loro malfunzionamento provoca il reflusso
di sangue che genera un lievissimo rumore chiamato soffio cardiaco.
Condurre uno stile di vita sano, con una alimentazione equilibrata,
svolgendo attività fisica, evitando fumo ed alcol, aiuta la prevenzione di
numerose malattie cardiache anche se alcune di esse sono congenite,
hanno cioè una componente genetica ereditaria.
10.5 Circolazione linfatica
Il sangue è composto anche da plasma, un liquido nel quale sono
disciolte le sostanze nutritive. Il plasma tramite i capillari, trasporta alle
singole cellule le sostanze nutritive, parte di esso trasuda dai capillari e
si deposita tra gli spazi intercellulari, dove le cellule riversano anidride
carbonica e altre sostanze di rifiuto. Il plasma viene poi recuperato dai
capillari linfatici che finiscono a fondo cieco negli spazi intercellulari
dei tessuti e viene trasportato nei vasi linfatici, di spessore maggiore
rispetto ai capillari sanguigni.
I vasi linfatici presentano pareti con muscolatura molto sottile e valvole
a nido di rondine che assicurano unidirezionalità alla linfa, un liquido
che contiene sostanze di rifiuto, proteine, cellule morte e sostanze
estranee come microrganismi, batteri o virus. Le valvole impediscono il
reflusso della linfa che così viene diretta al dotto toracico (vaso linfatico
di grandi dimensioni) situato lungo la colonna vertebrale. Dal dotto
toracico la linfa viene riversata nelle vene succlavie della spalla per poi
ritornare nella circolazione sanguigna.
Il flusso linfatico viene spinto dalla contrazione della muscolatura
aderente ai vasi linfatici e non dal cuore, questo è il motivo per cui
persone che restano a letto per molto tempo possono presentare un
gonfiore dovuto al ristagno linfatico nei vasi (edema). Ovviamente la
linfa, prima di ritornare in circolo, deve essere ripulita dalla presenza di
sostanze di rifiuto e sostanze estranee. A questa ripulitura provvedono i
linfonodi, corpi di forma ovale distribuiti lungo tutto il sistema linfatico
169
BIOLOGIA C3
ma maggiormente nella zona del collo, dell’inguine e delle ascelle. Nei
linfonodi si trovano i linfociti (globuli bianchi) che fagocitano queste
sostanze di scarto, ripulendo la linfa. In caso di infezioni, l’attività dei
linfonodi aumenta provocandone il gonfiore.
Organi linfatici sono anche la milza, situata dietro lo stomaco, che filtra
il sangue e contiene linfociti in grado di fagocitare le sostanze di
rifiuto. Il timo situato alla base del collo anch’esso contenente linfociti
che svolgono un’azione importante nella difesa dell’organismo e ancora
tonsille adenoidi e appendice ileo-cecale.
10.6 Apparato respiratorio
Il sangue distribuisce le sostanze nutritive e l’ossigeno alle singole
cellule del nostro corpo. I processi digestivi portano alla demolizione
del cibo in sostanze più semplici mediante fenomeni ossidativi e alla
liberazione di energia chimica che viene utilizzata dalle cellule per
sintetizzare ATP, in tale molecola si accumula energia che servirà per le
attività cellulari. La sintesi dell’ATP avviene nei mitocondri delle
cellule e necessita di un apporto di ossigeno; ossigeno che viene
prelevato dall’ambiente esterno grazie all’apparato respiratorio, viene
immesso nel sangue e trasportato alle singole cellule. Nelle cellule
viene utilizzato per la respirazione cellulare e darà come prodotto finale
la formazione dell’ATP.
Nelle cellule procariote, che usano la respirazione aerobica, ma
mancano di mitocondri, la catena di trasporto è inclusa nella membrana
plasmatica.
Negli organismi unicellulari, come i Protozoi, e negli organismi più
semplici come Poriferi e Cnidari e Platelminti, gli scambi gassosi
(ossigeno e anidride carbonica) avvengono tramite la superficie
corporea. I gas disciolti nell’acqua, attraversano la superficie corporea
per diffusione, ovvero passando da un ambiente a concentrazione
maggiore verso uno a concentrazione minore. L’ossigeno disciolto
nell’acqua proviene dall’ossigeno atmosferico e dagli organismi
fotoautotrofi (esempio alghe) presenti nell’acqua acqua, esso attraversa
la superficie di scambio (la superficie corporea) la quale per essere
efficiente deve essere sottile, ampia ed umida.
170
BIOLOGIA C3
Gli animali terrestri non possono respirare attraverso la superficie
cutanea in quanto non possono utilizzare direttamente l’ossigeno
atmosferico, hanno infatti bisogno di strutture che presentino una
superficie umida dove scioglierlo e che siano interne al corpo per
evitare l’essiccazione. Tali strutture nei vertebrati terrestri sono i
polmoni, mentre negli invertebrati, come ad esempio gli artopodi
terresti (insetti), sono le trachee, lunghi tubi, interni al corpo, che si
aprono all’esterno mediante aperture chiamate spiracoli attraverso le
quali entra ossigeno ed esce anidride carbonica.
Altri vertebrati acquatici, come i pesci ossei, presentano altre strutture
respiratorie, le branchie, essi, pur essendo organismi acquatici, non
possono effettuare scambi gassosi attraverso la superficie corporea, in
quanto l’aumento delle dimensioni corporee comporta un aumento di
volume e una diminuzione della superficie di scambio, pertanto hanno
bisogno di strutture specializzate attraverso le quali diffondere
ossigeno.
Le branchie sono costituite da numerosi filamenti ricchi di capillari.
L’acqua, che contiene ossigeno, entra attraverso la bocca del pesce,
passa nelle branchie dove l’ossigeno per diffusione attraversa le pareti
dei capillari ed entra nel sangue che lo porta al resto del corpo.
Sempre tramite i capillari fuoriesce anidride carbonica che viene
immessa nell’acqua e portata all’esterno attraverso l’apertura degli
opercoli, strutture che coprono le branchie.
Nei mammiferi, uomo compreso, l’apparato respiratorio inizia con le
cavità umide del naso e della bocca. All’interno delle cavità nasali
sono presenti peli che hanno il compito di trattenere impurità presenti
nell’aria. Attraverso le cavità nasali l’aria arriva nella faringe e da qui
alla laringe, situata nella zona del collo, nella quale sono presenti le
corde vocali, ovvero gli organi della fonazione. Si tratta di pieghe
membranose che vengono avvicinate dalla contrazione dei muscoli
laringei formando una fessura che viene attraversata dall’aria,
proveniente dalla trachea, causandone la vibrazione e l’emissione di
suoni.
La laringe è in comunicazione, mediante l’epiglottide, con la faringe
(organo in comune con l’apparato digerente). L’epiglottide impedisce al
cibo di entrare nella laringe e consente invece l’ingresso dell’aria che
171
BIOLOGIA C3
dalla laringe viene condotta alla trachea, un tubo lungo circa 10 cm,
situato nel collo, davanti all’esofago. Quest’ultimo è formato da anelli
cartilaginei che ne impediscono il collasso durante l’ispirazione.
Schema dell’apparato respiratorio
La trachea si ramifica in due bronchi che entrano all’interno dei
polmoni. Ogni bronco continua a ramificarsi nei bronchioli che
172
BIOLOGIA C3
terminano con gli alveoli polmonari, sacche sferiche rivestite da cellule
umide epiteliali avvolte da numerosi capillari dove avvengono gli
scambi gassosi.
L’ossigeno entra per diffusione dagli alveoli nei capillari mentre
l’anidride carbonica fuoriesce dai capillari ed entra negli alveoli per poi
essere espulsa tramite l’espirazione.
I bronchi e la trachea sono rivestite da cellule epiteliali che producono
un muco con il quale vengono intrappolati microrganismi o particelle
estranee. Il movimento delle ciglia di tali cellule spingono il muco
contenente le particelle da eliminare verso la faringe, dove poi verranno
espulse. Il fumo delle sigarette ostacola questo movimento e provoca
l’accumulo delle particelle di rifiuto che l’organismo tende ad eliminare
tramite una tosse secca. Tale accumulo può causare infiammazioni
dell’apparato respiratorio ed in particolare bronchiti e polmoniti fino ad
arrivare, nei casi più gravi, alla rottura della parete degli alveoli
(enfisema).
I bronchi si trovano quindi all’interno dei polmoni che sono delle masse
di tessuto spugnoso situate nella gabbia toracica e rivestiti da una
membrana, la pleura, che delimita una cavità ricca di liquido (liquido
pleurico) che impedisce il collasso del polmone e ne favorisce i
movimenti durante la respirazione.
La respirazione si compie attraverso due atti: ispirazione ed espirazione
L’inspirazione che consente l’ingresso dell’aria ricca di ossigeno nei
polmoni avviene grazie alla contrazione della muscolatura toracica; ciò
comporta un allargamento della gabbia toracica e un sollevamento delle
costole mentre il diaframma si abbassa, in questo modo i polmoni si
espandono e si riempiono di aria.
L’espirazione invece comporta la fuoriuscita dai polmoni di aria povera
di ossigeno, attraverso un meccanismo inverso all’inspirazione, infatti i
muscoli toracici si rilassano e la gabbia toracica ritorna alle dimensioni
originarie, le costole si abbassano e il diaframma si solleva. La
diminuzione del volume della gabbia toracica provoca un aumento di
pressione sui polmoni che di conseguenza emettono l’aria per ristabilire
l’equilibrio.
In condizioni normali l’uomo compie 16-20 atti respiratori al minuto,
immettendo ed espellendo circa mezzo litro di aria, che aumentano
173
BIOLOGIA C3
durante l’esercizio fisico per eliminare l’elevata quantità di anidride
carbonica, di conseguenza aumenta anche il volume dell’aria ispirata
ed espirata che sale a circa 3-4 litri.
Il volume dell’aria inspirata ed espirata prende il nome di volume
corrente. Durante l’espirazione non fuoriesce mai tutta l’aria dai
polmoni, infatti restano circa 1,2 litri di aria che rappresentano il
volume residuo. Considerando la massima quantità di aria che entra nei
polmoni (capacità vitale) e quella residua avremo la capacità totale dei
polmoni che è di circa 5 litri.
Tutto il meccanismo della respirazione è regolato da centri respiratori
situati nel bulbo del tronco encefalico e dal corpo carotideo costituito
da cellule chemiocettrici situate nelle carotidi, arterie di grosso calibro
che portano il sangue al cervello.
Quando l’anidride carbonica (CO2) è a un livello alto nel sangue, si
combina con l’acqua formando acido carbonico che, in quanto acido, si
dissocia producendo ioni H+. Se la concentrazione della CO2, e quindi
quella degli H+ , aumenta anche solo leggermente, sia nel sangue che
nel liquido cerebro-spinale che bagna l’encefalo, i centri respiratori
mandano impulsi nervosi che arrivano alla muscolatura toracica che si
contrae consentendo atti respiratori più profondi e più frequenti.
In caso di attività fisica il livello di anidride carbonica si innalza; questa
situazione viene subito percepita dai centri nervosi che aumentano la
frequenza degli atti respiratori per ristabilire l’equilibrio.
La
respirazione intensa cessa quando altri recettori situati nei polmoni
inviano impulsi ai centri respiratori che bloccano la contrazione della
muscolatura toracica e dai polmoni fuoriesce l’aria. Dopo pochi istanti
la concentrazione dell’anidride carbonica torna ad aumentare e la
sequenza respiratoria ricomincia.
L’aria inspirata ed espirata hanno la stessa composizione ma differenti
valori di concentrazione dei gas in essa presenti come evidenzia la
seguente tabella:
174
BIOLOGIA C3
Gas
Aria inspirata
Aria espirata
Azoto
79%
80%
Ossigeno
21%
16%
0,03%
4%
Anidride carbonica
L’aria inspirata, ricca di ossigeno, arriva tramite l’apparato respiratorio
agli alveoli polmonari dove avvengono gli scambi gassosi, qui per
diffusione l’ossigeno entra nei capillari polmonari e si lega
all’emoglobina presente nei globuli rossi del sangue, i quali vengono
trasportati dal sangue al cuore e da qui immessi nella circolazione
sistemica.
Scambi gassosi nell’alveolo polmonare
Arrivando ai tessuti e alle singole cellule, l’emoglobina cede l’ossigeno
in quanto la presenza di anidride carbonica, il prodotto di rifiuto del
175
BIOLOGIA C3
metabolismo cellulare, impedisce all’emoglobina di trattenere
l’ossigeno che quindi viene rilasciato e utilizzato dalle cellule per
bruciare le sostanze assimilate in modo da ricavare energia, produrre
calore e svolgere tutte le attività cellulari. Le cellule a loro volta
eliminano l’anidride carbonica, che si diffonde nel liquido interstiziale e
poi passa ai capillari. Il sangue ricco di anidride carbonica viene
trasportato ai polmoni arrivando ai capillari degli alveoli polmonari che
la diffondono all’esterno.
Approfondimenti
Animazione degli scambi respiratori
http://www.superagatoide.altervista.org/images/circolo_sangue.swf
Videolezioni
Apparato respiratorio
http://lezioni.matematicamente.it/secondaria-secondogrado/biologia/2524-apparato-respiratorio.html
Apparato circolatorio
http://lezioni.matematicamente.it/secondaria-secondogrado/biologia/2522-apparato-circolatorio.html
Il sangue
http://lezioni.matematicamente.it/secondaria-secondogrado/biologia/2521-il-sangue.html
176
BIOLOGIA C3
11. Il Sistema immunitario
11.1 La difesa contro i microrganismi patogeni
L’aria, l’acqua, il terreno sono pieni di microrganismi (virus, batteri,
protozoi, funghi, parassiti) potenzialmente dannosi per il nostro
organismo. Quando questi microorganismi patogeni entrano in contatto
con il nostro corpo si riproducono e si diffondono rapidamente
provocando malattie o infezioni. Il nostro corpo può combatterli
attraverso il sistema immunitario che attiva una difesa aspecifica o
specifica.
La difesa aspecifica è una difesa generica che combatte allo stesso
modo tutti i tipi di patogeni, pertanto anche se si tratta di una difesa
veloce, può non risultare efficace contro alcuni patogeni, per i quali
invece è necessario un attacco specifico e mirato.
Il primo ostacolo che un agente patogeno deve superare per entrare
all’interno del nostro corpo è la pelle. Oltre a rappresentare una barriera
protettiva, la pelle presenta ghiandole che secernono sebo e sudore,
secrezioni a pH acido che ostacolano la crescita di numerosi patogeni.
Qualsiasi apertura, all’interno di tale barriera, dovuta ad esempio alla
lacerazione della pelle (ferite o tagli), potrebbe consentire l’ingresso di
alcuni patogeni. È necessario quindi rimarginare rapidamente le ferite.
Per questo le cellule dell’epidermide si dividono e vanno a colmare lo
spazio vuoto che si è creato. Nei casi di ferite più gravi che
danneggiano i vasi sanguigni, è necessario intervenire anche con il
meccanismo di coagulazione per evitare emorragie.
L’ingresso di patogeni può avvenire anche attraverso la bocca, gli occhi
o le cavità nasali. In questo caso il nostro organismo presenta delle
strategie di difesa: nella saliva e nel liquido lacrimale è presente un
enzima, il lisozima, che distrugge le pareti cellulari dei batteri
provocandone la morte, all’interno delle cavità nasali, la presenza di
peli ostacola l’ingresso di batteri presenti nell’aria. Quelli che riescono
comunque ad arrivare all’apparato respiratorio, vengono intrappolati dal
muco prodotto dalle cellule epiteliali della parete della trachea e dei
bronchi e trasportati dal movimento delle ciglia alla faringe. Da qui
entrano nell’apparato digerente e, attraverso l’esofago, arrivano allo
stomaco dove la produzione del succo gastrico uccide numerosi
177
BIOLOGIA C3
microrganismi invasori, assieme a quelli introdotti con il cibo. Quelli
che riescono ad arrivare all’intestino vengono infine attaccati dalla flora
batterica.
Nonostante questi meccanismi di difesa alcuni patogeni riescono
comunque ad entrare nel nostro organismo e passare nel flusso
sanguigno, da dove si diffondono in tutto il corpo provocando infezioni.
Nell’organismo si attiva allora la risposta infiammatoria. Nel sangue
ci sono proteine antimicrobiche che distruggono i microrganismi
patogeni. Un batterio che danneggia le pareti delle cellule e quindi
l’intero tessuto, può essere distrutto dalle cellule natural killer, ovvero
globuli bianchi o leucociti in grado di rilasciare la perforina, una
proteina che danneggia la membrana plasmatica del batterio.
Il batterio può essere fagocitato dai leucociti provenienti dal flusso
sanguigno e richiamati nella zona danneggiata in seguito al rilascio di
proteine (mediatori dell’infiammazione) del sistema del complemento
da parte delle cellule danneggiate.
I leucociti svolgono la loro azione fagocitaria grazie agli pseudopodi
con i quali catturano il microrganismo, che viene inglobato e digerito
dai lisosomi, organuli contenenti gli enzimi digestivi.
Il rilascio delle proteine stimola anche i mastociti (cellule grandi e
rotonde presenti in tutti i tessuti connettivi) a far fuoriuscire l’istamina,
contenuta all’interno di granuli presenti nel citoplasma.
L’istamina provoca una dilatazione dei capillari e un maggiore afflusso
di sangue, di conseguenza l’arrivo di leucociti nella zona danneggiata,
causa un arrossamento di tale zona che viene definita infiammata.
Le proteine del complemento attirano anche i neutrofili (globuli
bianchi) che vengono trasportati attraverso il flusso sanguigno ai tessuti
danneggiati e in maniera rapida fagocitano i batteri. Successivamente
arrivano i macrofagi che continuano a svolgere l’azione fagocitaria e
producono proteine, le citochine, che inviano segnali chimici alle altre
cellule del sistema immunitario, in particolare l’interleuchina che
stimola i linfociti a proliferare e provoca un innalzamento della
temperatura corporea (febbre) utile per indebolire i batteri. Delle
citochine fanno parte anche gli interferoni che invece intervengono in
caso si venga a contatto con un virus, essi inibiscono la replicazione del
virus nella cellula infetta e stimolano la risposta immunitaria. Purtroppo
178
BIOLOGIA C3
nonostante l’intervento di diversi tipi di globuli bianchi (che si
originano da cellule staminali del midollo osseo) come le cellule natural
killer, mastociti, neutrofili e macrofagi, molti microrganismi patogeni
riescono ancora a sopravvivere pertanto è necessario attivare un
meccanismo di difesa specifica facendo intervenire un altro gruppo di
globuli bianchi, i linfociti, che si originano dal tessuto linfoide del
midollo osseo.
Un macrofago ingerisce un patogeno: a) si forma un fagosoma;
b)la fusione tra un lisosoma e un fagosoma origina una
fagolisosoma, il patogeno viene spezzato dagli enzimi. C)
materiale inutile viene espulso o assimilato. 1) patogeno, 2)
fagosoma, 3) lisosomi, 4)materiale di scarto, 5) citoplasma, 6)
membrana cellulare.
I linfociti sono presenti nel sangue ma anche nei vasi linfatici e sono
maggiormente abbondanti nei linfonodi, nella milza (posta tra lo
stomaco e i reni), nelle adenoidi (situate nella parte posteriore del naso),
nelle tonsille (situate nell’orofaringe). I linfociti intervengono quando
nel nostro corpo arrivano microrganismi quali virus, batteri, parassiti
ma anche sostanze chimiche estranee come proteine o carboidrati, tutte
queste sostanze estranee attivano una risposta immunitaria e vengono
chiamate antigeni. Siccome gli antigeni con i quali possiamo venire a
contatto sono molto numerosi, per ognuno di loro esiste uno specifico
179
BIOLOGIA C3
linfocita in grado di combatterlo, per questo quando si attivano i
linfociti si parla di difesa specifica, ovvero un attacco mirato a quel tipo
di antigene.
Organi del sistema immunitario in cui si trovano i linfociti
Un antigene che entra nel flusso sanguigno, viene riconosciuto dal
linfocita ad esso complementare che inizia a moltiplicarsi, formando dei
cloni, cioè delle cellule identiche alle cellule madre (linfocita), in questo
modo viene attivata una risposta immunitaria primaria. Dopo aver
sconfitto l’antigene, molti di questi linfociti saranno distrutti mentre
alcuni resteranno nel sangue come cellule memoria, cioè cellule in
grado di riconoscere lo stesso antigene e di attivare, qualora si ripresenti
lo stesso antigene, una risposta immunitaria secondaria che è molto più
rapida ed efficace della prima in quanto uccide i microrganismi prima
che si moltiplichino. L’individuo risulterà così immunizzato nei
confronti di quel determinato antigene. Ad esempio se un individuo ha
contratto il morbillo, nel corso della sua vita non potrà più essere
contagiato dal virus del morbillo proprio grazie alla presenza delle
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BIOLOGIA C3
cellule memoria che producono anticorpi prima che la malattia si
sviluppi.
Il sistema immunitario non solo è in grado di riconoscere le sostanze
estranee (non self) e combatterle ma è anche in grado di riconoscere le
proteine dei propri tessuti (self): se non fosse così finirebbe per
riconoscere come estranee le proprie proteine e quindi si
autodistruggerebbe (autoimmunità).
L’apparato digerente e l’utero non provocano una risposta immunitaria
quindi non sono immunocompetenti, infatti tutte le sostanze che
arrivano tramite l’alimentazione nel nostro corpo, come proteine,
carboidrati ecc., sono sostanze estranee e quindi dovrebbero provocare
una risposta immunitaria da parte dell’apparato digerente, ma ciò non
avviene permettendo all’organismo di alimentarsi.
Analogamente, il feto presente all’interno dell’utero è formato sia da
proteine derivanti da geni della madre che da proteine derivanti da geni
del padre, queste ultime sono proteine estranee alla madre eppure non
vengono distrutte.
La difesa specifica può avvenire attivando una risposta immunitaria
mediata da anticorpi oppure una risposta immunitaria mediata da
cellule.
11.2 Risposta immunitaria mediata da anticorpi
Quando nel sangue dell’individuo finiscono molecole estranee
(antigeni) l’organismo reagisce producendo una risposta immunitaria
mediata da anticorpi o risposta umorale ovvero producendo proteine,
configurate sull’antigene, chiamate anticorpi.
Gli anticorpi vengono prodotti dai linfociti B, quest’ultimi si formano e
maturano nel midollo osseo (bone marrow), arrivano nel sangue e si
concentrano nei linfonodi e in tutti i tessuti linfoidi periferici (milza,
tonsille, adenoidi) che contengono milioni di linfociti B. Ogni linfocita
B produce un anticorpo di una specifica forma e sulla sua membrana si
trovano copie di questo anticorpo.
181
BIOLOGIA C3
Anticorpo che si lega al suo antigene
Gli anticorpi sono proteine appartenenti alle immunoglobuline (Ig),
ognuno è formato da quattro catene polipeptidiche (due leggere e due
pesanti) che formano una Y, ogni braccio della Y è formato da una
catena leggera e da una pesante mentre il gambo da due catene lunghe
pesanti. Ogni anticorpo differisce da un altro per una diversa forma
dell’estremità dei bracci dovuta ad una diversa combinazione degli
amminoacidi, sono proprio i bracci a presentare siti di legame per
l’antigene. Una volta che l’anticorpo ha riconosciuto l’antigene di
forma complementare si lega ad esso, quindi ogni anticorpo può legare,
attraverso i bracci, due antigeni, in questo modo tutti gli anticorpi
formeranno degli ammassi di antigeni. Il gambo della Y invece
richiama i macrofagi che fagociteranno l’anticorpo con i rispettivi
antigeni. Ogni linfocita B quindi produce un particolare tipo di
anticorpo e siccome sono milioni i linfociti B presenti nei tessuti
linfoidi periferici altrettanto numerosi sono i tipi di anticorpi che si
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BIOLOGIA C3
possono formare e di conseguenza numerosi sono anche i tipi di
antigeni che si possono sconfiggere. Quando un antigene compare nel
sangue questo si lega al linfocita B che porta l’anticorpo complementare
alla sua forma. Il linfocita inizia così a dividersi e moltiplicarsi
formando dei cloni ovvero delle cellule identiche alla cellula madre, che
producono gli stessi tipi di anticorpi adatti a combattere quello specifico
antigene.
Ad un certo punto le cellule smettono di dividersi e si differenziano
formando delle plasmacellule che producono e liberano gli anticorpi per
sconfiggere gli antigeni. Alcuni dei linfociti B che si sono formati non
si differenziano in plasmacellule ma diventano cellule della memoria e
si conservano, se vengono di nuovo in contatto con lo stesso antigene,
inizieranno a dividersi e a differenziarsi in plasmacellule e in cellule
della memoria.
Tutti gli anticorpi sono proteine, ovvero immunoglobuline, cioè
proteine globulari, la maggior parte appartiene al gruppo delle
immunoglobuline G (IgG), che sono presenti nel sangue e intervengono
per combattere virus e batteri, questo gruppo di anticorpi potendo
attraversare la placenta assicura la difesa contro i microrganismi anche
al feto. Altri anticorpi appartengono ad altri gruppi di immunoglobuline
tra i quali:
Immunoglobuline A (IgA), sono anticorpi presenti nella saliva,
nelle lacrime, nel latte, sono importanti soprattutto perché
vengono trasmessi al neonato attraverso il latte materno
garantendo una difesa momentanea contro le malattie che la
madre ha già contratto e per le quali è immune.
Immunoglobuline E (IgE), sono anticorpi che intervengono
contro particolari antigeni, detti allergeni, (polline, acari ecc.)
che in alcuni individui provocano le allergie. Le IgE sono
presenti sui mastociti e, una volta avvenuto il legame con questi
antigeni stimolano, i mastociti a rilasciare istamina provocando
la risposta infiammatoria.
Immunoglobuline M (IgM), sono i primi anticorpi che
vengono prodotti in caso di infezioni.
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BIOLOGIA C3
Immunoglobuline D (IgD), la loro funzione non è ben
conosciuta, probabilmente quando vengono in contatto con un
antigene stimolano i linfociti B a differenziarsi in plasmacellule.
11.3 Risposta immunitaria mediata da cellule
Gli anticorpi prodotti dai linfociti B combattono contro gli antigeni che
entrano nel nostro corpo, alcuni antigeni però sono in grado di entrare
nelle cellule del nostro organismo ed infettarle, in questo caso quindi
bisogna riconoscere queste cellule e distruggerle, non si tratta quindi di
combattere l’antigene estraneo (non self) ma di eliminare le cellule
proprie (self) del nostro organismo che sono state infettate dai patogeni.
Questo compito spetta ai linfociti T che, come i linfociti B, si originano
dalle cellule staminali del midollo osseo, la differenza è che maturano
nel timo (timo-dipendenti) che poi lasciano per accumularsi nei
linfonodi e in tutti i tessuti linfoidi periferici. Qui possono incontrare i
microrganismi estranei da eliminare producendo una risposta
immunitaria mediata da cellule.
I linfociti T citotossici distruggono direttamente le cellule infette, in
quanto sulla loro superficie presentano oltre alle proteine del complesso
maggiore di istocompatibilità (proteine MHC presenti in tutte le cellule
del nostro corpo tranne in quelle spermatiche) anche proteine del virus.
I linfociti T citotossici, che riconoscono la presenza di queste proteine
estranee, distruggono la cellula infetta.
I linfociti T possono distruggere le cellule infette (cellule infette da
virus, cellule tumorali, protisti, cellule trapiantate) anche stimolando il
sistema immunitario. Infatti sulla superficie di membrana dei linfociti
T, sono presenti dei recettori. Questi esattamente come gli anticorpi dei
linfociti B, si legano agli antigeni presenti nelle cellule infette. Questo
legame avviene quando altre cellule immunitarie, come i macrofagi,
presentano l’antigene, insieme alle proprie proteine del complesso
maggiore di istocompatibilità (CMI o MHC), ai linfociti T.
Le proteine appartenenti al complesso maggiore di istocompatibilità
vengono codificate dalla diversa combinazione dei geni, ognuno dei
quali presenta numerosi alleli, quindi dalla loro ricombinazione è
possibile codificare differenti tipi di proteine.
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BIOLOGIA C3
È proprio in base alle proteine del CMI che si valuta la compatibilità di
un donatore per il trapianto degli organi, gli organi da donare devono
avere le proteine del CMI molto simili o uguali a quelle del ricevente.
La diversità di proteine infatti potrebbe stimolare una risposta
immunitaria richiamando i linfociti T citotossici che riconoscerebbero
come estranee le cellule dell’organo donato e le attaccherebbero,
distruggendole (rigetto dell’organo).
Quando un macrofago fagocita un virus lega parti del virus (antigene)
alle proteine del CMI formando degli antigeni esogeni che richiamano i
linfociti T helper. Questi tramite i recettori si legano a tali antigeni, e il
legame stimola i linfociti T helper a richiamare i linfociti B e i linfociti
T citotossici. I linfociti B cominciano a dividersi e a differenziarsi in
plasmacellule producendo e liberando anticorpi. I linfociti T citotossici
invece uccidono direttamente le cellule infette con un meccanismo
simile a quello delle cellule natural killer, cioè rilasciano la perforina
che danneggia la membrana plasmatica della cellula infetta causandone
la morte.
Vi è un altro gruppo di linfociti T, i linfociti T soppressori che invece
possono rallentare o fermare l’attività dei linfociti B, quindi la
produzione di anticorpi, e l’attività dei linfociti T.
11.4 Malattie legate al mal funzionamento del sistema immunitario
Il sistema immunitario riconosce le proteine estranee (non self) da
distruggere ma anche le proteine dei propri tessuti (self), se non fosse
così finirebbe per riconoscere come estranee le proprie proteine e quindi
si autodistruggerebbe (autoimmunità). Il sistema immunitario riconosce
le proprie proteine probabilmente perché, nei primi stadi di sviluppo
embrionale, vengono distrutti quasi tutti i linfociti B in grado di
distruggere le cellule proprie dell’organismo, mentre i pochi che restano
vengono sorvegliati dai linfociti T soppressori. In alcune persone però il
sistema immunitario non è in grado di riconoscere le proteine dei propri
tessuti, si sviluppano così le malattie autoimmuni.
Tra le più note troviamo la sclerosi multipla, in cui il sistema
immunitario distrugge le cellule nervose comportando la paralisi.
Il diabete di tipo 1 o giovanile, in cui il sistema immunitario distrugge
le insule di Langherans (cellule del pancreas) che producendo insulina
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BIOLOGIA C3
hanno un ruolo importante per regolare la concentrazione di glucosio
nel sangue, la mancanza di questo ormone danneggia il metabolismo.
La miastenia grave, in cui i linfociti distruggono le cellule muscolari,
può portare alla morte quando vengono danneggiati i muscoli
respiratori.
L’artrite reumatoide in cui il sistema immunitario danneggia le
articolazioni provocando una risposta infiammatoria cronica, causa forti
dolori alle articolazioni e difficoltà di movimento.
Una malattia che provoca invece l’indebolimento del sistema
immunitario è l’AIDS (sindrome di immunodeficienza acquisita)
causata dal virus dell’HIV (virus a RNA) che si trasmette tramite
rapporti sessuali, non protetti, con persone affette dal virus oppure per
contatto con sangue infetto. Questo virus infetta e distrugge le cellule T
helper e i macrofagi. Quando il virus entra all’interno di queste cellule
produce un enzima, la trascrittasi inversa, che utilizza l’RNA virale per
sintetizzare DNA ad esso complementare così il DNA virale si mescola
al DNA della cellula ospite. Qui può restare per lungo tempo oppure
può replicarsi avviando la trascrizione del DNA virale in RNA virale,
che esce dal nucleo sotto forma di RNA messaggero, arriva nel
citoplasma e avvia la sintesi proteica. RNA virale e proteine si
uniscono all’interno della cellula formando virioni (virus completi) che
vengono espulsi dalla cellule per gemmazione. Il corpo reagisce
all’ingresso dell’HIV con la produzione di anticorpi anti-HIV, dunque
la persona si dice sieropositiva, ma dopo qualche anno il virus può
mutare e gli anticorpi sviluppati non sono più in grado di combatterlo. I
linfociti T helper continuano ad essere distrutti e di conseguenza i
linfociti B non vengono più stimolati a produrre anticorpi. Questo
comporta un abbassamento delle difese immunitarie pertanto anche un
semplice raffreddore potrà causare la morte.
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BIOLOGIA C3
Sintomi dell’AIDS
11.5 I Gruppi sanguigni
Tutte le cellule del corpo, tranne quelle spermatiche, presentano sulla
superficie della membrana proteine appartenenti al complesso maggiore
di istocompatibilità, le quali legano a sé degli antigeni indispensabili
per stimolare la riposta immunitaria. Allo stesso modo, le cellule del
sangue presentano degli antigeni, in base al tipo di antigene presente
sulla superficie dei globuli rossi ogni individuo appartiene ad un diverso
gruppo sanguigno. Nella nostra specie i gruppi sanguigni sono:
Gruppo A: sulla superficie dei globuli rossi è presente
l’antigene A e l’individuo produce anticorpi anti-B;
Gruppo B: sulla superficie dei globuli rossi è presente
l’antigene B e l’individuo produce anticorpi anti-A;
Gruppo AB: sulla superficie dei globuli rossi sono presenti
l’antigene A e l’antigene B e l’individuo non produce anticorpi
anti-A ed anti-B;
Gruppo 0: sulla superficie dei globuli rossi non sono presenti
antigeni e produce anticorpi anti-A ed anti-B
.
187
BIOLOGIA C3
Gruppi sanguigni
Se un individuo ha bisogno di una trasfusione di sangue, è necessario
conoscere a quale gruppo sanguigno appartiene, se infatti l’individuo
appartiene al gruppo sanguigno A e riceve una trasfusione di sangue
appartenente al gruppo B, gli anticorpi anti-B attaccheranno i globuli
rossi estranei agglutinandoli e distruggendoli, provocando la morte
dell’individuo.
Un individuo appartenente al gruppo AB, non presentando anticorpi,
può ricevere sangue da donatori appartenenti a qualsiasi gruppo
sanguigno, viene per questo definito recettore universale.
Un individuo che possiede il gruppo sanguigno 0, producendo sia
anticorpi anti-A che anti-B, può ricevere sangue solo da donatori
appartenenti al gruppo sanguigno 0 ma l’assenza di antigeni consente di
poter donare a qualsiasi persona, viene per questo definito donatore
universale.
Se hai gruppo sanguigno puoi donare a: Puoi ricevere da:
A+
A+ AB+
A+ A- 0+ 0-
O+
0+ A+ B+ AB+
0+ 0-
B+
B+ AB+
B+ B- 0+ 0-
AB+
AB+
Tutti
188
BIOLOGIA C3
Un altro antigene presente sulla superficie dei globuli rossi è il fattore
Rhesus o Rh, una proteina scoperta per la prima volta sulla superficie
dei globuli rossi del primate Macacus Rhesus, la presenza di questo
antigene viene indicata con Rh positivo (Rh+), l’assenza con Rh
negativo (Rh-).
Poiché Rh+ è un fattore dominante, gli individui saranno + sia in
omozigosi (Rh+, Rh+) che in eterozigosi (Rh+, Rh-), mentre saranno –
solo in omozigosi (Rh-, Rh-).
Il fattore Rh è responsabile dell’eritroblastosi fetale, una patologia
causata dall’incompatibilità del sangue materno con quello del feto.
Infatti, se i globuli rossi della madre non presentano l’antigene Rh
(quindi la madre è Rh-) e il figlio che porta in grembo è Rh+, (in quanto
ha ereditato questo fattore dal padre), al momento del parto il sangue
del figlio può venire in contatto con quello della madre. Nel sangue
della madre si sviluppano allora anticorpi anti-Rh, in quanto la madre
non presenta l’antigene Rh, questi tuttavia non recheranno nessun
danno al figlio. Durante una seconda gravidanza tali anticorpi potranno
attraversare la placenta e venire a contatto con il sangue del feto, se
questo sarà di tipo Rh+, tali anticorpi distruggeranno i suoi globuli rossi
(eritrociti) provocando gravi anemie, danni cerebrali e anche la morte.
La scoperta del fattore Rh ha permesso di evitare questa malattia, basta
iniettare alla madre, entro 72 ore dal momento del parto, anticorpi antiglobuli rossi fetali Rh+ che andranno a distruggere gli eritrociti Rh+ del
figlio, bloccando così la risposta immunitaria materna. La madre non
producendo anticorpi anti-Rh+ non sarà a rischio nelle successive
gravidanze.
189
BIOLOGIA C3
11.6 Vaccinazione e sieroterapia
Quando un organismo estraneo entra nel nostro corpo, provoca la
risposta del sistema immunitario che reagisce producendo anticorpi. Se
nel corso del tempo veniamo di nuovo a contatto con lo stesso
patogeno, gli anticorpi precedentemente prodotti, lo riconosceranno
subito e lo distruggeranno prima che esso possa moltiplicarsi, in questo
caso si dice che l’individuo è immunizzato. L’immunizzazione può
anche essere ottenuta artificialmente, attraverso la vaccinazione e la
sieroterapia.
Il primo medico a praticare la vaccinazione fu Edward Jenner che circa
200 anni fa creò il primo vaccino contro il vaiolo. Egli iniettò ai suoi
pazienti il virus del vaiolo vaccino ovvero il virus che provocava il
vaiolo alle mucche, tale virus non era letale come quello che attaccava
gli uomini, pertanto inoculando questo virus agli uomini, essi si
ammalavano di una forma meno grave di vaiolo. I soggetti trattati
producevano anticorpi contro questo virus e risultavano immuni alla
malattia.
I moderni vaccini consistono nell’inoculare nell’organismo patogeni
(virus, batteri o tossine) morti oppure vivi ma resi innocui (attenuati), in
modo tale da provocare una blanda malattia.
190
BIOLOGIA C3
L’organismo reagisce comunque producendo anticorpi e quindi cellule
memoria.
Se la persona, nel corso della sua vita, verrà a contatto con il patogeno
vivo, contro il quale è stato vaccinato, la presenza di anticorpi specifici
e di cellule della memoria consentirà di riconoscerlo e di eliminarlo
subito. La vaccinazione è quindi una protezione duratura che rende
immune l’organismo da determinate malattie.
Molte malattie si riescono a sconfiggere tramite le vaccinazioni o
addirittura si possono debellare definitivamente ma bisogna ricordare
che molti virus sono capaci di modificare le proprie proteine di
superficie e ciò rende inefficace la vaccinazione perché il sistema
immunitario non è più in grado di riconoscere quei virus.
La sieroterapia invece consiste nell’inoculare nella persona, un siero
contenente gli anticorpi prodotti da un altro organismo che ha contratto
il virus. Un esempio è il siero antiveleno da somministrare dopo il
morso di vipera. Questo siero è preparato in laboratorio introducendo ad
esempio in un coniglio o in un cavallo il veleno di vipera reso innocuo,
esso stimola la produzione di anticorpi antiveleno, i quali vengono
prelevati e conservati per essere inoculati nell’uomo in caso di bisogno.
Una volta introdotto il siero nell’uomo, gli anticorpi in esso contenuti,
andranno a distruggere le tossine del veleno di vipera. Questo tipo di
immunizzazione è veloce ma non è duratura, cioè se nel corso della vita
veniamo di nuovo colpiti dal morso di vipera avremo bisogno di una
ulteriore somministrazione di siero, in quanto gli anticorpi ricevuti
tempo prima sono stati distrutti dal nostro sistema immunitario che li ha
riconosciuti come estranei.
Oggi esistono anche farmaci in grado di bloccare la moltiplicazione di
batteri o virus come ad esempio gli antibiotici. Alexander Fleming nel
1929 scoprì una sostanza (penicillina), prodotta dal fungo Penicillium
notatum, che venne isolata ed utilizzata per combattere numerose specie
di batteri, da quel momento in poi sono state isolate numerose altre
sostanze in grado di sconfiggere i patogeni.
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BIOLOGIA C3
Approfondimenti
Domande e risposte relative all’infezione da HIV
http://www.iss.it/binary/iss3/cont/Domande_risposte_su_HIV_e_AIDS.
pdf
Articolo originale di E. Jenner sul vaiolo
http://www.bartleby.com/38/4/1.html
Videolezioni
Il sistema immunitario
http://lezioni.matematicamente.it/secondaria-secondogrado/biologia/2528-il-sistema-immunitario.html
I gruppi sanguigni
http://lezioni.matematicamente.it/secondaria-secondogrado/biologia/2531-i-gruppi-sanguigni.html
192
BIOLOGIA C3
12. Il sistema endocrino
12.1 I messaggeri chimici
Le cellule che formano il nostro organismo hanno bisogno di
comunicare tra loro per coordinare le loro attività. Le variazioni
dell’ambiente extracellulare devono essere rilevate e trasmesse alle altre
cellule, che adatteranno le loro attività in relazione al cambiamento
avvenuto al fine di mantenere l’equilibrio dell’organismo. Ogni cellula
quindi è in grado di produrre e liberare sostanze, chiamate messaggeri
chimici, come risposta a tali cambiamenti. I messaggeri giunti alle
cellule bersaglio, inducono un cambiamento dell’attività delle cellule.
Esistono diversi tipi di messaggeri chimici, tra i quali, i feromoni, gli
ormoni paracrini, i neurotrasmettitori e gli ormoni.
I feromoni sono sostanze emesse dalle ghiandole esocrine, attraverso
l’aria o l’acqua arrivano ad un altro individuo della stessa specie
influendo sul suo comportamento o sulla sua fisiologia.
Ad esempio, l’odore emesso da una femmina di farfalla notturna,
attraverso il vento raggiunge il maschio, che può trovarsi anche a
notevole distanza dalla femmina. Il maschio viene stimolato
sessualmente e comincia a volare seguendo l’odore fino a raggiungere
la femmina.
Anche la nostra specie emette feromoni, le donne che vivono in uno
stesso ambiente (nella stessa casa o nello stesso ufficio per molte ore)
infatti emettono, attraverso le ghiandole sudoripare situate nella pelle,
feromoni in grado di sincronizzare il ciclo mestruale.
Gli ormoni paracrini, sono messaggeri chimici secreti nel liquido
extracellulare che agiscono solo sulle vicine cellule bersaglio. Ad
esempio, alcune cellule dell’intestino secernono un ormone paracrino
che agisce sulle vicine cellule bersaglio stimolandole a produrre enzimi
digestivi consentendo l’assimilazione di molte sostanze nutritive.
Un altro esempio di ormone paracrino è l’ormone della crescita,
rilasciato dall’ipofisi, che stimola le cellule a dividersi mitoticamente
favorendo l’accrescimento corporeo.
I neurotrasmettitori vengono rilasciati da cellule nervose
e
trasmettono segnali nervosi alle cellule nervose vicine oppure alle
cellule muscolari.
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BIOLOGIA C3
Gli ormoni sono messaggeri chimici secreti da ghiandole situate in
varie parti del nostro corpo. Alcune ghiandole sono esocrine, cioè
secernono i secreti in dotti ghiandolari che li riversano all’esterno del
corpo o all’interno dell’intestino (come ad esempio le ghiandole
sudoripare o quelle che liberano muco nell’intestino).
Altre sono ghiandole endocrine, cioè immettono i loro prodotti nel
sangue che li trasporta alle cellule bersaglio distribuite in varie parti del
corpo, come ad esempio l’ipofisi, le ghiandole surrenali, la tiroide.
Tutti i messaggeri chimici lavorano nello stesso modo, cioè vengono
rilasciati da parte di cellule secretrici che rilevano il cambiamento
dell’ambiente extracellulare e per comunicarlo alle altre cellule
secernono un messaggero chimico. Questo messaggero attraverso il
sangue o il fluido extracellulare, giunge alle cellule bersaglio
influenzandone l’attività. Tutte le cellule del nostro organismo possono
venire a contatto con i messaggeri ma soltanto le cellule bersaglio ne
rilevano la presenza ed attivano il cambiamento grazie alla presenza di
recettori (proteine) sulla superficie plasmatica o nel citoplasma. Ogni
messaggero chimico si lega al recettore ad esso complementare e, una
volta avvenuto il legame, il recettore cambia forma e produce nella
cellula una modificazione della sua attività.
Anche gli ormoni quindi, come gli altri messaggeri chimici, una volta
immessi nel sangue si legano agli specifici recettori delle cellule
bersaglio, e siccome gli ormoni possono essere liposolubili o
idrosolubili, si legheranno in maniera diversa agli specifici recettori.
Gli ormoni liposolubili quando arrivano alla cellula bersaglio possono
attraversare la membrana plasmatica (costituita da fosfolipidi) e legarsi
con recettori presenti nel citoplasma della cellula bersaglio (recettori
intracellulari). In questo modo il recettore, modificato nella forma, entra
nel nucleo della cellula bersaglio, si lega al DNA e modifica
l’espressione genica attivando o disattivando geni che codificano per
una determinata proteina. Esempi di ormoni liposolubili sono gli
ormoni steroidei, come ad esempio il cortisolo (glicocorticoide) che
arrivando alle cellule epatiche (cellule bersaglio) fa aumentare la
produzione di glucosio, quest’ultimo viene sintetizzato a partire da
proteine e lipidi e poi immesso nel sangue per fornire energia.
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BIOLOGIA C3
Gli ormoni idrosolubili invece, non potendo attraversare la membrana
plasmatica, si legano a specifici recettori presenti sulla membrana
plasmatica (recettori di membrana) della cellula bersaglio
modificandone la forma. Il recettore modificato stimola nella cellula la
produzione di un secondo messaggero che innesca una serie di reazioni
a catena che portano ad attivare una serie di enzimi con il compito di
modificare l’attività della cellula.
In relazione al tipo di cellula bersaglio si producono diversi tipi di
secondi messaggeri, quello più importante è l’AMP (adenosin
monofosfato) ciclico, prodotto quando l’ormone (primo messaggero)
rappresentato dal glucagone o dall’adrenalina o epinefrina, arriva sulla
cellula bersaglio ed attiva i recettori di membrana a produrre un enzima,
l’adenilato ciclasi che trasforma le molecole di ATP in AMP ciclico.
L’AMP ciclico prodotto attiva a sua volta una serie di enzimi (secondi
messaggeri) che inducono un cambiamento nell’attività della cellula.
Secondo il meccanismo precedentemente descritto l’arrivo di glucagone
e di adrenalina inducono le cellule epatiche a produrre glucosio, a
partire dal glicogeno, quando la sua concentrazione nel sangue è troppo
bassa. Tale produzione si bloccherà quando un altro ormone, l’insulina,
rilevando l’aumento della concentrazione di glucosio nel sangue,
inattiva l’AMP ciclico che blocca la demolizione del glicogeno. Il
glicogeno verrà quindi immagazzinato nelle cellule epatiche
permettendo la diminuzione della concentrazione di glucosio nel sangue
e verrà di nuovo demolito quando si attiverà l’AMP ciclico. Con questi
meccanismi la concentrazione di glucosio nel sangue resta sempre
costante.
Lo stesso ormone può legarsi a diversi tipi di recettori che stimolano le
cellule bersaglio a rispondere in maniera differente allo stesso
messaggio chimico, ad esempio l’ormone prolattina nelle donne stimola
le cellule bersaglio a produrre latte mentre negli uomini regola la
produzione del testosterone.
Gli ormoni possono anche essere classificati in base alla loro
composizione chimica in ormoni peptidici, ormoni steroidei, ormoni
derivanti da acidi grassi e ormoni derivanti da amminoacidi. Gli
ormoni peptidici sono formati da brevi catene di amminoacidi (ormoni
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BIOLOGIA C3
peptidici) o da lunghe catene di amminoacidi (ormoni polipeptidici), e
sono ormoni idrosolubili.
Tra questi troviamo l’ossitocina costituito da nove amminoacidi, che ha
la funzione di aumentare le contrazioni dell’utero durante il parto.
L’insulina, formata da due catene di amminoacidi (una di 21
amminoacidi e l’altra di 30), prodotta dalle isole di Langerhans del
pancreas, ha la funzione di abbassare i livelli di glucosio nel sangue.
Gli ormoni steroidei derivano dal colesterolo, sono ormoni
liposolubili. Tra questi troviamo il cortisolo, prodotto dalle ghiandole
surrenali soprattutto in situazione di stress fisico o psicologico, per
questo viene anche chiamato ormone dello stress, ha la funzione di
aumentare il livello di glucosio ematico. Troviamo anche gli estrogeni
e il progesterone prodotti dalle ovaie ed il testosterone dai testicoli.
Gli ormoni derivati da acidi grassi come ad esempio le
prostaglandine, molecole che derivano dall’acido arachidonico, un
acido grasso introdotto nel nostro organismo attraverso l’alimentazione,
sono ormoni paracrini che intervengono nei processi infiammatori, nella
coagulazione del sangue, nella contrazione dell’utero e della
muscolatura liscia dei vasi sanguigni determinando vasodilatazione o
vasocostrizione. Esse agiscono come gli ormoni idrosolubili ovvero
stimolando le cellule bersaglio a produrre secondi messaggeri. Infine gli
ormoni derivati da amminoacidi, sono ormoni idrosolubili e derivano
dalla modificazione di amminoacidi come gli ormoni tiroidei e
l’adrenalina o epinefrina.
12.2 Il sistema endocrino
Il sistema endocrino o ormonale è formato da numerose ghiandole
endocrine e cellule endocrine, distribuite nel nostro corpo, che
secernono ormoni che immessi nel sangue vengono trasportati alle
cellule bersaglio. Tutta la nostra vita è regolata dagli ormoni, come il
tasso di crescita, l’umore, il livello di stress, il pH dei liquidi corporei,
l’utilizzo delle sostanze alimentari per produrre energia, la riproduzione
e tutti i processi metabolici. Il rilascio della maggior parte degli ormoni
è regolato da un meccanismo di feedback negativo, cioè è proprio
l’elevata concentrazione di un ormone che inibisce la produzione delle
molecole che ne attivano la produzione.
196
BIOLOGIA C3
Ad esempio, come risposta allo stress viene attivata la produzione
dell’ormone cortisolo, ma saranno proprio le elevate quantità di
quest’ormone ad inibire il rilascio da parte dell’ipotalamo del CRH
(ormone corticotropo) ovvero il fattore di rilascio che stimola la
produzione del cortisolo stesso.
Analizziamo le principali ghiandole endocrine.
Principali ghiandole endocrine
Ipotalamo
L’ipotalamo è una parte del cervello, più precisamente la parte ventrale
del diencefalo. È costituito da un insieme di cellule nervose, dette
neurosecretrici, in quanto sono cellule nervose ma anche cellule che
secernono ormoni.
L’ipotalamo controlla sia il sistema nervoso autonomo sia il sistema
endocrino. Svolge un ruolo importante nel mantenimento della
temperatura corporea e dell’equilibrio idrosalino, controlla il
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BIOLOGIA C3
movimento degli organi viscerali, modifica la frequenza cardiaca o il
ritmo respiratorio, controlla la sensazione di sazietà o di fame, il
comportamento sessuale e gli stati emozionali.
L’ipotalamo viene attivato in seguito a varie tipologie di stimoli come
ad esempio uno stimolo tattile, visivo, emozionale oppure stress, paura,
gioia...
Le cellule nervose dell’ipotalamo reagiscono a tali stimoli inviando
segnali elettrici che attraversano gli assoni (prolungamenti delle cellule
nervose) e giunti alla terminazione dei prolungamenti secernono fattori
di rilascio di ormoni. I fattori di rilascio (RH) sono piccoli peptidi
formati da almeno tre amminoacidi, questi entrano in speciali vasi
sanguigni, che non entrano nella circolazione sanguigna generale, e
vengono trasportati al lobo anteriore dell’ipofisi oppure vengono
portati, attraverso le terminazione delle cellule nervose, direttamente al
lobo posteriore dell’ipofisi. Giunti all’ipofisi tali ormoni si legano con i
recettori complementari delle cellule bersaglio (cellule dell’ipofisi)
stimolando la produzione di altri ormoni che andranno ad attivare altre
ghiandole endocrine presenti nel nostro corpo. Quindi tutte le ghiandole
endocrine agiscono sotto il controllo dell’ipofisi (detta per questo
motivo “regina della ghiandole”) che a sua volta è controllata
dall’ipotalamo.
Ipotalamo
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BIOLOGIA C3
Ipofisi o ghiandola pituitaria
L’ipofisi è una piccolissima ghiandola endocrina, grande quanto un
fagiolo, situata alla base dell’encefalo, collegata al diencefalo mediante
un peduncolo, è costituita da due lobi, uno posteriore (neuroipofisi) che
deriva dal prolungamento dell’encefalo e uno anteriore (adenoipofisi)
che deriva da un’estroflessione della volta della cavità orale. La
funzione dell’ipofisi è quella di stimolare, attraverso la produzione di
ormoni, le altre ghiandole presenti nel nostro corpo.
Posizione dell’ipofisi
Nel lobo posteriore arrivano gli ormoni prodotti dall’ipotalamo, come
ad esempio l’ossitocina e l’ormone antidiuretico (ADH), essi vi
giungono attraverso i prolungamenti (assoni) delle cellule nervose
dell’ipotalamo. L’ossitocina dal lobo posteriore dell’ipofisi viene
rilasciata nel sangue al momento del parto, in quanto stimola la
contrazione della muscolatura dell’utero, oppure durante l’allattamento,
in quanto stimola la contrazione delle cellule muscolari che circondano
le ghiandole mammarie favorendo la fuoriuscita del latte.
L’ormone antidiuretico ADH o vasopressina invece viene rilasciato
dall’ipofisi nel sangue quando quest’ultimo presenta un elevato
contenuto di sali o soluti, giunto ai reni stimola i tubuli distali e i dotti
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BIOLOGIA C3
collettori dei nefroni (unità funzionale del rene) a riassorbire più acqua
e a produrre urine più concentrate. L’acqua riassorbita verrà recuperata
dai capillari e servirà per diluire il sangue e di conseguenza per
abbassarne la concentrazione salina.
Il lobo anteriore dell’ipofisi rappresenta una vera e propria ghiandola
endocrina infatti a differenza della neuroipofisi che rilascia ormoni
prodotti dall’ipotalamo, l’adenoipofisi secerne dei propri ormoni
stimolata dagli ormoni di rilascio prodotti dall’ipotalamo.
Ad esempio, in situazioni di stress l’ipotalamo produce il fattore di
rilascio dell’ormone corticotropo (CRH) il quale attraverso i vasi
sanguigni raggiunge le cellule bersaglio dell’ipofisi e, legandosi ai
recettori complementari, stimola la produzione dell’ormone
adrenocorticotropo (ACTH). Questo viene rilasciato nel sangue e
giunge alle ghiandole surrenali stimolandole a produrre cortisolo che
arriva alle cellule epatiche stimolandole a produrre glucosio, in questo
modo fornisce energia alle cellule sottoposte a stress.
Lo stato di equilibrio precedente allo stress viene ristabilito attraverso
un meccanismo di feedback negativo.
Altri ormoni prodotti dall’adenoipofisi sono:
l’ormone della crescita (GH) che agisce soprattutto sui tessuti
ossei e in particolare favorisce la moltiplicazione delle cellule
cartilaginee che comportano un accrescimento in lunghezza
dell’osso,
la prolattina che agisce sulle ghiandole mammarie e stimola la
produzione di latte,
l’ormone follicolo stimolante FSH e l’ormone luteinizzante
LH che agiscono sulle gonadi stimolando la produzione di
estrogeni e progesterone per le donne e testosterone per gli
uomini,
l’ormone tireotropo TSH che agisce sulla tiroide stimolando la
produzione di ormoni tiroidei,
le endorfine che sono degli antidolorifici naturali, provocano un
senso di benessere e di euforia o di sonnolenza a seconda della
loro quantità.
200
BIOLOGIA C3
Tiroide
La tiroide è una ghiandola formata da due lobi, situata vicino la trachea,
in prossimità della laringe, che ha la funzione di regolare il
metabolismo basale di un individuo e la sua crescita.
La tiroide secerne gli ormoni tiroidei e la calcitonina. Tra gli ormoni
tiroidei il principale è la tiroxina, molecola contenente iodio che ha la
funzione di regolare il funzionamento della ghiandola: viene prodotta
quando l’ipotalamo rilascia il fattore di rilascio dell’ormone tiroideo
(TRH) che giunto all’ipofisi la stimola a produrre l’ormone
tireostimolante (TSH), quest’ultimo raggiunge la tiroide e la stimola a
produrre gli ormoni tiroidei.
Un cattivo funzionamento di questa ghiandola comporta gravi danni al
metabolismo. Ad esempio la scarsa produzione di ormoni tiroidei
(ipotiroidismo) comporta un rallentamento del metabolismo e
l’individuo aumenta di peso, ha poche energie, ha frequentemente
sonno e avverte uno stato di confusione.
La scarsa produzione di ormoni tiroidei è dovuta soprattutto alla
mancanza di iodio, elemento necessario per sintetizzarli, che è possibile
introdurre tramite l’alimentazione, in particolare mangiando crostacei e
assumendo sale iodato. La carenza di questo elemento può provocare il
gozzo, cioè un eccessivo sviluppo della ghiandola tiroidea dovuta alla
continua produzione dell’ormone tireostimolante da parte dell’ipofisi,
che induce la tiroide a lavorare di più per produrre tiroxina.
Se l’ipotiroidismo si verifica durante l’infanzia può provocare il
cretinismo, ovvero un rallentamento nello sviluppo delle cellule nervose
portando ad un ritardo mentale e un rallentamento nello sviluppo
corporeo e al nanismo.
È possibile curare l’ipotiroidismo somministrando farmaci a base di
tiroxina. Queste cure sono efficaci quando si interviene prima che la
disfunzione abbia provocato danni irreparabili.
Al contrario, un’eccessiva produzione di ormoni tiroidei
(ipertiroidismo) comporta un’accelerazione del metabolismo e
l’individuo perde peso, è sempre attivo, eccitato, nervoso e soffre di
insonnia. È possibile curare tale disfunzione somministrando farmaci
tirostatici che bloccano la produzione degli ormoni tiroidei oppure con
l’asportazione chirurgica della maggior parte della tiroide.
201
BIOLOGIA C3
Sistema endocrino tiroideo
Paratiroidi
Le paratiroidi sono quattro piccole ghiandole situate sul lato posteriore
della tiroide, hanno un ruolo importante nel mantenere costante i livelli
di calcio nel sangue. Producono infatti l’ormone paratiroideo (PTH)
che, nel caso di basso livello di calcio nel sangue, agisce sul tessuto
osseo, in cui si accumula il calcio, smuove tale minerale portandolo in
soluzione nel sangue. Inoltre agisce sui reni e induce il riassorbimento
del calcio nell’intestino e nei reni.
Quantità insufficienti di calcio nel sangue porterebbero a
malfunzionamenti dei nervi e muscoli provocando contrazioni
muscolari (spasmi) con danneggiamento anche del muscolo cardiaco.
Questo ormone lavora in sinergia con la calcitonina, prodotta dalla
tiroide, al fine di mantenere costante il livello di calcio ematico
(calcemia). La calcitonina è un ormone che invece stimola la
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BIOLOGIA C3
deposizione, nel tessuto osseo, del calcio in eccesso, infatti interviene
per evitare l’eccessiva concentrazione di calcio, che provocherebbe
danni alle ossa.
Pancreas
Il pancreas è una ghiandola situata vicino allo stomaco, svolge una
funzione esocrina, in quanto secerne nel duodeno succo pancreatico
ricco di enzimi digestivi. Svolge anche una funzione endocrina che è
affidata a varie cellule presenti all’interno del suo tessuto, dette isole di
Langerhans. Queste producono due ormoni l’insulina e il glucagone
che lavorano in sinergia al fine comune di mantenere costante il livello
di glucosio nel sangue (glicemia).
Le cellule pancreatiche (isole di Langerhans) rilevano livelli alti di
glucosio nel sangue e attivano la produzione dell’ormone insulina, (da
parte delle cellule β) che arriva alle cellule epatiche e le induce ad
accumulare glucosio, sottoforma di glicogeno, quindi abbassandone la
concentrazione nel sangue. La produzione di insulina cesserà quando
altre cellule delle isole di Langerhans (le cellule α) rilevano livelli bassi
di glucosio nel sangue e producono un altro ormone, il glucagone, che
arrivando alle cellule epatiche le induce a scindere il glicogeno per
rilasciare glucosio facendone di nuovo aumentare la concentrazione.
Si produce insulina soprattutto dopo i pasti per consentire all’organismo
di immagazzinare gli zuccheri mentre si produce glucagone soprattutto
dopo sforzi fisici o in situazioni di forte stress fisico o psicologico
quando le cellule richiedono un apporto maggiore di glucosio e quindi
energia per svolgere le loro attività.
Il mancato funzionamento della parte endocrina del pancreas provoca
malattie, come il diabete mellito o di tipo 1, in cui le isole di
Langerhans non producono insulina e quindi i livelli di glucosio nel
sangue restano alti. I reni provvedono a rimuoverlo, insieme ad un
elevato contenuto di acqua, producendo urina che sarà molto dolce
(mellita) e questo provocherà disidratazione. Inoltre la mancanza
dell’ormone insulina non consente alle cellule del corpo di utilizzare il
glucosio presente nel sangue e ciò provocherà un indebolimento
dell’organismo. I pazienti malati di diabete mellito devono sottoporsi a
iniezioni di insulina ad ogni pasto per evitare i rischi descritti.
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BIOLOGIA C3
Alcune persone in sovrappeso posso soffrire invece del diabete di tipo
2, ovvero le isole di Langerhans producono insulina ma le cellule
bersaglio non presentano recettori adatti a legare l’insulina e di
conseguenza non possono usarla efficacemente.
Ghiandole surrenali
Le ghiandole surrenali sono due ghiandole ad azione endocrina situate
sopra i reni. Ognuna è formata da una parte esterna detta corticale e
l’altra interna detta midollare. La parte corticale secerne ormoni
(steroidi) in risposta a situazioni di stress. In particolare il cortisolo
arrivando alle cellule epatiche (cellule bersaglio) aumenta la produzione
di glucosio che viene sintetizzato a partire da proteine e lipidi, viene
immesso nel sangue per fornire energia alle cellule sottoposte a stress.
Secerne inoltre altri ormoni come l’aldosterone e gli androgeni.
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BIOLOGIA C3
L’aldosterone è importante per il mantenimento dell’equilibrio idrico e
minerale infatti favorisce il riassorbimento del sodio e dell’acqua nel
rene.
Gli androgeni sono ormoni sessuali maschili che stimolano lo sviluppo
degli organi sessuali maschili e dei caratteri sessuali secondari maschili
come la crescita dei peli, della barba, il tono basso della voce ecc.
La parte midollare della ghiandola surrenale invece secerne altri ormoni
sempre in risposta a situazioni di stress o di forti emozioni come
l’epinefrina o adrenalina e la norepinefrina o noradrenalina.
Questi ormoni derivati da amminoacidi sono prodotti dalla parte
midollare che viene stimolata da segnali nervosi provenienti dal midollo
spinale che a sua volta è stimolato dall’ipotalamo. Tali ormoni vengono
poi rilasciati nel sangue e giungono a cellule bersaglio di vari organi
come cuore, polmoni e intestino, provocando accelerazione del battito
cardiaco e dei ritmi respiratori, vasocostrizione per allontanare il sangue
dall’intestino e dallo stomaco ed indirizzarlo nelle zone dove c’è
maggiore necessità.
Ovaie e testicoli
Le ovaie ed i testicoli rappresentano le gonadi, ovvero organi
responsabili della formazione dei gameti (cellule uovo e spermatozoi);
essi presentano anche cellule che producono ormoni sessuali. In
particolare i testicoli producono testosterone, un ormone steroideo che
ha la principale funzione di favorire la fertilità, in quanto consente la
maturazione degli spermatozoi.
Le ovaie invece producono gli estrogeni ed il progesterone, ormoni
steroidei, i primi responsabili dello sviluppo dei caratteri sessuali
secondari femminili come la crescita del seno, lo sviluppo dell’utero
ecc.
Il progesterone ha la funzione principale di preparare l’utero alla
gravidanza permettendo l’annidamento del’uovo fecondato ed è
responsabile anche della produzione del latte.
Gli ormoni sessuali maschili in realtà vengono prodotti anche dalle
gonadi femminili e gli ormoni sessuali femminili dalle gonadi maschili,
pertanto la distinzione tra i sessi è basata soprattutto sulla quantità di
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BIOLOGIA C3
ormoni prodotta, infatti un maggior numero di ormoni maschili
determina lo sviluppo di caratteri sessuali maschili.
Timo
Il timo è una ghiandola situata sotto lo sterno che secerne timosine,
ormoni che favoriscono lo sviluppo dei linfociti T e quindi hanno un
ruolo importante nel sistema immunitario, tale ghiandola comincia a
regredire quando la maggior parte dei linfociti T sono maturi e migrano
nei tessuti linfoidi, ciò avviene dopo la pubertà.
Epifisi
L’epifisi, o ghiandola pineale, è una ghiandola a forma di pigna situata
nella parte alta dell’encefalo, in posizione opposta rispetto all’ipofisi,
produce l’ormone melatonina che ha un ruolo importante nel regolare i
ritmi circadiani, ovvero ritmi biologici che si ripetono ogni 24 ore,
come ad esempio il ritmo sonno-veglia.
La melatonina viene prodotta durante le ore notturne quando il buio
stimola l’ipofisi a secernere questo ormone che ha la funzione di
favorire il sonno mentre il ritorno della luce ne inibisce la produzione.
Approfondimenti
Nuove applicazioni dei feromoni per la lotta integrata nei fruttiferi
http://www.entom.unibo.it/Feromoni%20Frutticoltura%2069%20(2)%2
048-57.pdf
Rappresentazione 3D dell’ipotalamo
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Hypothalamus.gif
Videolezioni
Il sistema endocrino
http://lezioni.matematicamente.it/secondaria-secondogrado/biologia/2523-il-sistema-endocrino.html
206
BIOLOGIA C3
13. Il sistema escretore
13.1 Il sistema escretore
L’organismo è una macchina omeostatica che mira a mantenere
costante le caratteristiche chimico-fisiche dell’ambiente interno
necessarie per il corretto svolgimento delle attività cellulari. In
particolare è necessario mantenere costanti le caratteristiche chimicofisiche del sangue come il pH, la concentrazione di zuccheri e di sali in
esso disciolti, la quantità d’acqua, la temperatura, la pressione, la
concentrazione delle sostanze di rifiuto.
Il sistema escretore svolge un ruolo essenziale per assicurare
l’omeostasi del sangue, esso ha infatti il compito di filtrare il sangue,
cioè eliminare le sostanze di rifiuto (cataboliti azotati) e controllare i
liquidi corporei.
Le sostanze di rifiuto derivano dal metabolismo cellulare ed in
particolare dalla demolizione di grassi e carboidrati dai quali si
ottengono, come prodotti di scarto, l’acqua e l’anidride carbonica.
Questi vengono eliminati dal nostro organismo soprattutto attraverso la
sudorazione e le superfici respiratorie, mentre dalla demolizione delle
proteine si ottengono, come prodotti di scarto, oltre all’acqua e
l’anidride carbonica anche l’azoto.
Per quanto riguarda l’eliminazione dell’azoto, gli organismi presentano
una diversa modalità di escrezione. Gli organismi ammoniotelici, come
la maggior parte degli animali acquatici, eliminano l’azoto sottoforma
di ammoniaca (NH3). Gli organismi ureotelici, come i mammiferi
(uomo compreso), gli anfibi adulti, i condroitti (squali), eliminano
l’azoto sottoforma di urea CO(NH2)2. Gli organismi uricotelici come
gli uccelli, rettili, insetti, gasteropodi polmonati (chiocciole terrestri),
eliminano l’azoto sottoforma di acido urico (C5H4N4O3).
Tutti i cataboliti azotati vengono diluiti in un liquido (acqua) ed espulsi
dall’organismo sottoforma di urina. Gli organismi che hanno una
maggiore disponibilità di acqua (pesci) eliminano direttamente
l’ammoniaca che rappresenta il prodotto azotato più tossico.
Nei vertebrati acquatici, il sistema escretore ha un ruolo fondamentale
soprattutto nel mantenimento dell’equilibrio idrosalino. In particolare i
vertebrati che vivono in ambienti d’acqua dolce, come i pesci ossei
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BIOLOGIA C3
(osteitti d’acqua dolce), hanno liquidi corporei a concentrazione salina
maggiore (liquidi ipertonici) rispetto all’ambiente esterno (acqua dolce).
Per osmosi l’acqua tenderà ad entrare in questi organismi e, affinché si
mantenga l’equilibrio idrosalino, essi devono eliminare l’eccesso di
acqua ma trattenere i sali. A ciò provvede il sistema escretore che
tenderà a riassorbire i sali, per reintrodurli nell’organismo, ma non
l’acqua che invece verrà espulsa attraverso l’urina e pertanto l’urina
sarà molto diluita.
Per quanto riguarda invece i pesci marini (osteitti marini), essi avranno
dei liquidi corporei a concentrazione di sali inferiore (liquidi ipotonici)
rispetto all’ambiente esterno e quindi tenderanno per osmosi a perdere
molta acqua. Per mantenere l’equilibrio idrosalino devono contrastare la
perdita d’acqua, ciò è possibile bevendo molta acqua, a differenza dei
pesci d’acqua dolce che non bevono affatto. Bevendo acqua marina
introducono anche sali, quelli in eccesso verranno eliminati attraverso le
urine. Alla loro espulsione provvedono soprattutto le cellule delle
branchie che saranno anche poco diluite per ridurre al minimo la perdita
d’acqua.
Per i vertebrati terrestri, uomo compreso, il sistema escretore provvede
soprattutto a regolare la quantità di acqua presente nell’organismo.
Infatti, il problema maggiore di tutti gli organismi terresti è la
disidratazione, che viene contrastata, oltre che da un rivestimento
corporeo impermeabile, soprattutto dall’efficienza del sistema escretore.
Le squame dei rettili, le piume degli uccelli o i peli dei mammiferi sono
tutti rivestimenti adatti ad impedire la perdita d’acqua ma è il sistema
escretore che regola l’equilibrio idrico e consente un concreto risparmio
d’acqua.
L’uomo è in grado di sopperire al deficit d’acqua assumendo ogni
giorno circa 2,5 litri d’acqua attraverso le bevande, il cibo e il
metabolismo cellulare che produce acqua metabolica. Nonostante ciò,
quasi la stessa quantità d’acqua viene persa attraverso la sudorazione, la
respirazione, le feci e l’urina. Pertanto il sistema escretore è di
fondamentale importanza per impedire la disidratazione regolando
l’assorbimento d’acqua da parte dei reni.
In tutti i mammiferi, i composti azotati vengono eliminati sottoforma di
urea, un composto meno tossico dell’ammoniaca. L’ammoniaca viene
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BIOLOGIA C3
convertita in urea soprattutto nel fegato, viene rilasciata nel sangue,
arriva ai reni, viene diluita dal liquido contenuto nella vescica ed
espulsa attraverso l’urina.
Sia l’ammoniaca che l’urea sono composti solubili in acqua ma
l’ammoniaca rispetto all’urea richiede grandi volumi d’acqua per essere
diluita. L’acido urico invece è un composto quasi solubile e quindi ha
bisogno di una piccolissima quantità di acqua per essere diluito,
inferiore rispetto a quella utilizzata dall’urea. L’acido urico è il prodotto
di scarto di altri animali terrestri, come gli uccelli e i rettili. In questi
animali, l’ammoniaca viene trasformata nel fegato in acido urico e
viene espulso dal sistema escretore quasi in forma solida proprio per
risparmiare acqua. Passando quindi dagli organismi che eliminano
ammoniaca a quelli che eliminano acido urico si ha via via una
maggiore economia d’acqua.
Sistema escretore: 1. Rene, 2. Pelvi renale, 3. Uretere, 4. Vescica, 5.
Uretere,6. Surrene, 7. Fegato, 8. Arteria e vena renale, 9. Vena cava
inferiore, 10. Aorta addominale, 11. Arteria e vena iliaca, 12. Intestino
crasso, 13. Pelvi.
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BIOLOGIA C3
13.2 Reni
Gli organi principali del sistema escretore sono i reni, organi simmetrici
a forma di fagiolo e grandi quanto un pugno di un adulto, situati
nell’addome, ai lati della colonna vertebrale e al di sotto del fegato. Essi
svolgono tre compiti fondamentali: la filtrazione, il riassorbimento e la
secrezione. La filtrazione del sangue avviene eliminando i cataboliti
azotati (urea) e producendo urina. Il riassorbimento consiste nel
recuperare acqua e sali necessari all’organismo al fine di mantenere
l’equilibrio idrosalino. La secrezione è un’ulteriore revisione durante la
quale viene ripulito da eventuali sostanze sfuggite al processo di
filtrazione, come farmaci o sostanze tossiche che vengono poi espulsi
attraverso l’urina.
Parti del rene:1.Piramidi renali, 2.Interlobular artery, 3.Arteria
renale, 4.Vena renale, 5.Renal hylum, 6.Pelvi renale, 7.Uretere,
8.Calice minore, 9.Capsula renale, 10.Capsula renale inferiore,
11.Capsula renale superiore, 12.Interlobar vein, 13.Nefrone,
14.Seno renale, 15.Calice maggiore, 16.Papilla renale,
17.Colonna renale.
210
BIOLOGIA C3
Ogni rene è costituito da tre parti: una parte superficiale esterna, detta
zona corticale, dove avviene la filtrazione del sangue, una parte interna,
chiamata midollare, dove avviene il riassorbimento dell’acqua e dei
sali e infine una parte ancora più interna, chiamata pelvi renale o
bacinetto, nella quale si raccoglie l’urina prima di essere portata
all’uretere. Ogni rene è costituito da milioni di unità funzionali
chiamate nefroni, ognuno dei quali presenta una regione nella parte
corticale e una regione nella parte midollare. Ogni nefrone è un tubulo
che inizia con il glomerulo, ovvero un groviglio di capillari, derivanti
dall’arteria renale (arteriola afferente), avvolti da una struttura,
chiamata capsula di Bowman, formata da una parete interna (parete
viscerale), costituita di cellule epiteliali, podociti, che avvolgono i
capillari del glomerulo e una parete esterna (parete parietale) che
continua nel tubulo renale. Tra queste due pareti vi è uno spazio dove
viene raccolto il liquido filtrato e trasportato al tubulo renale. Il sangue
da filtrare, presente nei capillari del glomerulo, essendo ad alta
pressione, tende a fuoriuscire attraverso i microscopici pori della parete
dei capillari, ma fuoriesce solo il plasma, in quanto la dimensione dei
pori non consente la fuoriuscita dei globuli e delle macromolecole
(proteine). Una volta fuoriuscito dai capillari attraversa i podociti e
fuoriesce nella cavità della capsula di Bowman, il liquido ivi presente
prende il nome di ultrafiltrato glomerurale o filtrato. Esso è formato
da acqua, urea, sali, glucosio e amminoacidi. Viene spinto nel tubulo
renale in cui avviene il riassorbimento di tutte quelle sostanze finite nel
filtrato ma ancora utili all’organismo.
Ogni nefrone quindi inizia con il glomerulo e la capsula di Bowman e
continua con il tubulo renale. Il tubulo renale a sua volta è formato da
varie parti, inizia con il tubulo contorto prossimale, continua con l’ansa
di Henle, con il tubulo contorto distale e termina con il dotto collettore.
La capsula di Bowman continua con il tubulo prossimale, costituito da
cellule epiteliali ricche di mitocondri, è un tubulo contorto nel quale
vengono recuperati gli ioni (sodio, calcio, fosfati). Gli ioni attraversano
lo strato di cellule epiteliali per finire in una seconda rete di capillari
derivanti dall’arteriola efferente che esce dal glomerulo. I capillari si
riuniranno nella vena renale e trasporteranno il sangue ripulito dalle
sostanze di rifiuto e contenente ioni e altre sostanze riassorbite, come
211
BIOLOGIA C3
zuccheri, amminoacidi, nella vena cava inferiore che lo condurrà al
cuore.
Il passaggio degli ioni avviene per trasporto attivo, quindi contro
gradiente, pertanto c’è bisogno di una notevole quantità di energia per
farlo avvenire, questa energia viene fornita dai mitocondri. Insieme agli
ioni anche l’acqua può fuoriuscire dal filtrato e attraversare per osmosi
lo strato epiteliale (in quanto permeabile all’acqua) ed essere poi
recuperata dai capillari.
Il filtrato presente nel tubulo prossimale contiene pochi ioni e acqua ma
presenta ancora urea ed altre molecole, viene condotto nell’ansa di
Henle, un tubulo a forma di U presente nella zona midollare del rene,
tale ansa è costituita da un tratto discendente ed uno ascendente.
Nel tratto discendente continua il riassorbimento perché l’elevata
concentrazione di sali, al di fuori dell’ansa discendente (nel tessuto
midollare), consente all’acqua di fuoriuscire per osmosi. In questo tratto
quindi il filtrato perde ancora più acqua che viene recuperata dai
capillari.
I sali presenti nel tessuto midollare provengono dal tratto ascendente
dell’ansa di Henle, qui infatti gli ioni cloro e sodio fuoriescono per
trasporto attivo, ma la parete del tratto ascendente non essendo
permeabile all’acqua non consentirà la fuoriuscita dell’acqua per
osmosi. Il filtrato quindi risale lungo l’ansa ascendente nella zona
corticale ed arriva nel tubulo contorto distale, anch’esso impermeabile
all’acqua. Il filtrato, in questo tratto, contiene solo urea ed è stato
ripulito di tutti i sali.
Il tubulo contorto distale insieme al tubulo prossimale provvedono
anche a rimuovere dal sangue, che circola nei capillari ad essi aderenti,
eventuali sostanze tossiche, come farmaci o ioni in eccesso (secrezione)
che verranno introdotti nel filtrato ed eliminati con l’urina.
Il filtrato continua il suo percorso e dal tubulo contorto distale arriva al
dotto collettore, il quale dalla zona corticale scende nella zona
midollare dove incontra un ambiente ad alta concentrazione di Sali. Ciò
determina un’ulteriore fuoriuscita di acqua per osmosi che verrà
recuperata dai capillari. In questo tratto potrà fuoriuscire anche una
piccola parte dell’urea aumentando la concentrazione salina della zona
212
BIOLOGIA C3
midollare. Il filtrato ancora più ricco di urea (urina) verrà infine
trasportato al bacinetto renale.
Durante il percorso dalla capsula di Bowman fino al bacinetto renale
circa il 99% di acqua verrà riassorbita, questo è il motivo per cui l’urina
presenta un maggiore contenuto di cataboliti azotati rispetto all’acqua.
Ovviamente la quantità d’acqua espulsa, attraverso l’urina, varia ogni
giorno in base al tipo di alimentazione o alle condizioni climatiche in
cui vive un individuo ed è regolata da un meccanismo ormonale:
l’ormone ADH regola l’equilibrio idrico e l’ormone aldosterone regola
l’equilibrio salino. Dopo un pasto ricco di sali, ad esempio dopo aver
mangiato patatine fritte, c’è bisogno di una maggiore quantità d’acqua
per diluire l’elevata concentrazione di sali nel sangue pertanto dovrà
essere riassorbita più acqua dai nefroni.
Il meccanismo di riassorbimento è regolato da un ormone (ormone
antidiuretico ADH o vasopressina) che viene rilasciato dall’ipofisi.
L’ipotalamo rileva l’elevata concentrazione di sali nel sangue e stimola
l’ipofisi a produrre l’ADH. L’ormone, attraverso il sangue, raggiunge il
rene e agisce sul tubulo contorto distale rendendo la sua parete
permeabile all’acqua (ricordiamo infatti che in condizioni normali la
parete è impermeabile) ed aumentando la permeabilità della parete del
dotto collettore, in questo modo l’acqua potrà fuoriuscire per osmosi ed
essere recuperata dai capillari che la immettono nel sangue, pertanto
verrà prodotta urina più concentrata.
L’ipotalamo in seguito rileverà l’abbassamento del contenuto salino del
sangue e bloccherà la produzione dell’ormone ADH. Quando invece il
sangue presenta una bassa concentrazione di sali, interviene un altro
ormone, l’aldosterone, prodotto dalle ghiandole surrenali che agisce sui
tubuli distali renali dei nefroni consentendo il riassorbimento di
maggiori quantità di sodio e cloro che vengono immessi nel sangue.
Anche il clima influisce sul meccanismo di riassorbimento di acqua, ad
esempio il caldo provoca un’eccessiva sudorazione che può provocare
disidratazione, l’ipotalamo rileva questa condizione e stimola l’ipofisi a
produrre l’ormone ADH che consentirà al tubulo renale di riassorbire
più acqua producendo urine più concentrate.
Alcuni animali riescono a sopravvivere in condizioni ambientali
sfavorevoli proprio grazie alla particolare anatomia del sistema
213
BIOLOGIA C3
escretore. Ad esempio il topo del deserto riesce a sopravvivere in un
ambiente arido, in quanto i nefroni presentano un ansa di Henle molto
lunga, che consente loro di riassorbire molta acqua ed espellere urine
molto concentrate, inoltre adotta uno stile di vita che consente di ridurre
al minimo la disidratazione: durante il giorno vive in tane profonde
dalle quali esce soltanto di notte.
13.3 Ureteri, vescica urinaria e uretra
Il filtrato (urina) giunto al dotto collettore del nefrone viene convogliato
al bacinetto renale o pelvi renale. Nel bacinetto renale viene scaricata
l’urina proveniente dai dotti collettori di tutto il rene, qui viene raccolta
temporaneamente e poi convogliata alla vescica. Dal bacinetto renale
infatti partono due canali gli ureteri, uno per ciascun rene, che
convogliano l’urina alla vescica urinaria. Essa può raccogliere fino a
500 ml di urina, è infatti un sacco muscolo-membranoso che si dilata
per raccogliere l’urina e una volta riempito, la sua muscolatura si
contrae per consentirne l’espulsione, l’urina infatti attraversa il canale
dell’uretra e viene espulsa all’esterno. L’uretra nell’uomo si congiunge
con i dotti dell’apparato riproduttore, pertanto l’urina e il liquido
seminale fuoriescono attraverso lo stesso canale. Nella donna l’uretra è
più corta e sbocca direttamente nella vagina, quindi ha il solo scopo di
condurre l’urina all’esterno del corpo.
13.4 Insufficienza renale
I reni sono organi fondamentali per il riassorbimento di sali ed acqua
necessari al mantenimento dell’equilibrio idrosalino, per ripulire il
sangue dalla presenza di cataboliti azotati, per regolare la pressione
sanguigna e il pH del sangue, sono quindi organi necessari al
mantenimento dell’omeostasi.
A volte i reni non funzionano correttamente, in quanto vengono
danneggiati da infezioni batteriche oppure malattie autoimmuni oppure
dal diabete o dalla pressione sanguigna elevata. Tutto questo può
portare all’insufficienza renale che può provocare la morte, pertanto
bisogna intervenire ripulendo il sangue artificialmente, cioè attraverso
un macchinario che funge da rene artificiale (dialisi) oppure nei casi più
gravi bisogna intervenire con il trapianto di un rene compatibile. Il
cattivo funzionamento dei reni comporta un accumulo di sostanze
214
BIOLOGIA C3
tossiche nel sangue con conseguente abbassamento del pH che può
condurre alla morte, inoltre l’eccessiva quantità di acqua e sodio causata
dal non riassorbimento da parte dei reni, causa rigonfiamenti dei tessuti
e un aumento della pressione sanguigna.
I reni infatti svolgono un ruolo importante anche nel controllo della
pressione sanguigna: quando la pressione del sangue è troppo bassa
(ipotensione arteriosa) secernono un enzima, la renina, che stimola la
produzione nel sangue di angiotensina II, che provoca una
vasocostrizione e di conseguenza un aumento della pressione
sanguigna. La renina inoltre stimola anche le ghiandole surrenali a
produrre l’aldosterone che induce i reni a riassorbire più sodio e acqua
provocando un innalzamento della pressione. Le persone con
insufficienza renale hanno difficoltà a regolare la pressione sanguigna.
L’elevata pressione sanguigna può anche essere la causa di un cattivo
funzionamento dei reni, essa può essere dovuta all’elevata
concentrazione di sali nel sangue che induce i reni a riassorbire più
acqua, pertanto il volume del sangue sale provocando un aumento della
pressione (ipertensione arteriosa), una dieta povera di sali aiuta quindi a
tenere sotto controllo la pressione sanguigna.
I reni quindi secernono ormoni al fine di mantenere l’omeostasi. Essi
producono anche l’ormone eritropoietina, quando rilevano la bassa
concentrazione di ossigeno nel sangue, dovuta alla scarsa presenza di
eritrociti. L’eritropoietina infatti viene immessa nel sangue e arriva alle
cellule del midollo osseo inducendole a produrre più eritrociti, la
produzione termina quando i livelli di ossigeno nel sangue tornano
normali. L’insufficienza renale blocca questo processo e pertanto le
persone affette da questa malattia sono anche anemiche.
Anche i livelli di calcio nel sangue vengono regolati dall’attività renale:
i reni infatti riassorbono il calcio per immetterlo nel sangue oppure il
calcio viene eliminato nelle urine, se la sua concentrazione nel sangue è
molto alta. I pazienti con insufficienza renale non riescono a regolare la
quantità di calcio nel sangue pertanto, livelli bassi di questo minerale
stimolano la tiroide a produrre continuamente l’ormone paratiroideo che
va ad intaccare le ossa per far rilasciare nel sangue più calcio, questo
provocherà una malattia delle ossa detta osteodistrofia uremica.
215
BIOLOGIA C3
Videolezioni
http://lezioni.matematicamente.it/secondaria-secondogrado/biologia/2525-apparato-escretore.html
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BIOLOGIA C3
14. Il sistema nervoso
14.1 Il sistema nervoso
Il sistema nervoso ha il compito di raccogliere sia le informazioni
provenienti dall’ambiente esterno, attraverso gli organi di senso, sia
quelle provenienti dall’ambiente interno, di interpretarle e trasmetterle
alle altre cellule al fine di mantenere l’omeostasi. Le informazioni o
stimoli derivanti dagli organi di senso arrivano al sistema nervoso
centrale, formato dall’encefalo e dal midollo spinale, vengono
elaborate e trasmesse, attraverso i nervi, al sistema nervoso periferico,
giungendo ai muscoli, alle ghiandole e ad altri organi che rispondono in
maniera appropriata a questi stimoli.
Il sistema nervoso periferico collega quindi il sistema nervoso centrale
ai muscoli, alle ghiandole e ad altri organi, portando informazioni dalla
periferia del corpo verso il sistema nervoso centrale e viceversa.
Il sistema nervoso di ogni individuo è costituito da circa 100 miliardi di
cellule (neuroni) che comunicano attraverso segnali elettrici in maniera
rapidissima. È costituito da oltre 1000 differenti tipi di cellule, tuttavia
i principali tipi sono due: il neurone e le cellule gliali.
I neuroni hanno il compito di trasmettere le informazioni mentre le
cellule gliali danno sostegno e nutrimento ai neuroni, accelerano la
conduzione dell’impulso, e sono numericamente superiori ai neuroni.
217
BIOLOGIA C3
Sistema nervoso
I neuroni possono diversificarsi per forma, dimensioni e funzioni ma
hanno tutti la stessa struttura, ovvero presentano quattro regioni
principali: i dendriti, il corpo cellulare o soma, l’assone e la
terminazione sinaptica.
218
BIOLOGIA C3
Diagramma completo di una cellula neuronale
I dendriti sono espansioni del citoplasma del corpo cellulare, hanno il
compito di collegarsi con altre cellule nervose dalle quali ricevono le
informazioni e le convogliano al corpo cellulare (direzione centripeta).
Il corpo cellulare ha il compito di raccogliere ed elaborare le
informazioni, esso è costituito dal nucleo e dagli organuli citoplasmatici
(mitocondri, reticolo endoplasmatico, apparato di Golgi e ribosomi).
Dall’estensione del citoplasma del corpo cellulare si genera anche un
prolungamento, di dimensioni variabili, da pochi millimetri a più di un
metro, detto assone, che ha il compito di trasportare l’informazione ad
altre cellule. La parte terminale dell’assone si ramifica e alla fine di
ogni ramificazione vi è un bottone sinaptico che forma sinapsi (cioè
collegamenti) con un altro dendrite, con un altro assone o con altre
cellule (muscolari o secretorie) per trasmettere l’informazione.
L’informazione, viaggia sotto forma di impulso elettrico e va sempre
nella stessa direzione: parte dai dendriti, attraversa il corpo cellulare e
219
BIOLOGIA C3
arriva alla terminazione dell’assone. Si dice perciò che il neurone ha
una polarità.
I neuroni possono essere classificati in base alla funzione che svolgono
in:
neuroni motori o motoneuroni, hanno lunghi assoni e
conducono le informazione ai muscoli e alle ghiandole;
neuroni sensoriali conducono le informazioni provenienti
dall’ambiente esterno e dall’ambiente interno al sistema nervoso
centrale;
neuroni di associazione o interneuroni che si trovano nell’SNC
collegano i neuroni sensoriali con quelli motori.
Le cellule gliali o della glia sono cellule che circondano i neuroni.
Ogni neurone può possederne fino a cento, esse sostengono, nutrono e
isolano elettricamente i neuroni. Un esempio di cellule glia sono gli
astrociti, cellule a forma stellata che controllano la composizione
chimica del liquido che circonda i neuroni.
14.2 Propagazione dell’impulso nervoso
Il neurone, come ogni cellula del nostro corpo, si trova a vivere in un
ambiente differente rispetto a quello interno alla cellula, l’ambiente
extracellulare infatti ha una concentrazione di ioni differente rispetto a
quello interno.
All’esterno della membrana plasmatica vi è un’alta concentrazione
degli ioni sodio che invece è bassa all’interno. All’interno della
membrana plasmatica vi è un alta concentrazione degli ioni potassio che
invece è bassa all’esterno. Siccome entrambi questi ioni sono positivi, è
la diversa quantità a determinare una differenza di potenziale elettrico.
In particolare all’esterno della membrana plasmatica vi è un’elevata
quantità di ioni positivi e quindi un eccesso di cariche positive mentre
all’interno vi è una bassa quantità di ioni positivi oltre alla presenza di
molti ioni negativi e questo comporta un eccesso di cariche negative.
Questa differenza di cariche elettriche tra l’interno e l’esterno della
membrana plasmatica viene chiamata potenziale di riposo.
Il potenziale di riposo di un neurone è di circa -70 mV (millivolt), il
segno meno indica che l’interno della cellula è negativo rispetto
220
BIOLOGIA C3
all’esterno ed è determinato da una diversa concentrazione di ioni
dentro e fuori della cellula.
Questa situazione viene mantenuta dalle proteine presenti sulla
membrana cellulare ed in particolare da tre proteine: i canali del
potassio, i canali del sodio e la pompa sodio-potassio.
I canali del potassio, sono pori presenti sulla membrana plasmatica,
attraverso i quali fuoriescono dalla cellula ioni potassio (K+). Questo
passaggio non richiede energia perché avviene secondo gradiente, cioè
da un ambiente a più alta concentrazione (ambiente interno) verso uno a
più bassa concentrazione. Ciò contribuisce a rendere positivo
l’ambiente esterno alla membrana e negativo l’interno della cellula, che
è reso ancora più negativo dalla presenza di proteine cariche
negativamente che per le loro dimensioni non riescono ad attraversare i
canali.
I canali del sodio sono pori presenti sulla membrana plasmatica e,
quando il neurone è a riposo, sono sempre chiusi, impedendo agli ioni
sodio (Na+) di entrare nella cellula. Essi infatti, trovandosi ad elevata
concentrazione all’esterno della membrana, dovrebbero entrare nella
cellula ma il passaggio secondo gradiente viene bloccato dalla chiusura
dei loro canali.
La pompa sodio-potassio è costituita da canali presenti sulla
membrana plasmatica che tendono ad espellere dalla cellula gli ioni
sodio e a far entrare gli ioni potassio, tutto ciò avviene contro gradiente
e quindi con consumo di energia (ATP). Ogni molecola di ATP
utilizzata comporta l’espulsione di tre ioni sodio e l’introduzione di due
ioni potassio. L’attività dei canali mira a mantenere la differenza di
potenziale elettrico e cioè un eccesso di cariche positive all’esterno
della membrana e un eccesso di cariche negative all’interno, si dirà
quindi che la membrana è polarizzata.
Il neurone, in seguito ad uno stimolo di intensità adeguata porta il suo
potenziale da -70 a -50mV, e questo è chiamato potenziale soglia.
La differenza tra potenziale di riposo e di soglia è la variazione minima
necessaria perché si generi il potenziale d’azione.
In pratica si modifica la permeabilità della membrana plasmatica nel
punto stimolato e si ha l’apertura dei canali del sodio attraverso i quali
221
BIOLOGIA C3
gli ioni sodio entrano nella cellula che quindi inizia a caricarsi
positivamente.
Si verifica allora un’inversione di polarità (depolarizzazione), positiva
all’interno e negativa all’esterno della membrana. Tale differenza
momentanea di cariche elettriche rappresenta il potenziale d’azione o
impulso nervoso; in questo punto della membrana la differenza di
potenziale è passata da -70mV a circa +40mV ma dura solo pochi
millisecondi.
Potenziale di riposo
Subito dopo i canali del sodio si chiudono e si aprono quelli del
potassio, consentendo la fuoriuscita di tale ione. Ciò comporta un
aumento delle cariche negative all’interno della cellula che però sono
numericamente superiori a quelle del potenziale di riposo, pertanto i
canali del potassio si chiudono e interviene la pompa sodio-potassio a
ristabilire la differenza originaria di potenziale elettrico, cioè quella
presente prima dell’impulso.
Una volta che il neurone ha ricevuto l’impulso deve trasmetterlo lungo
l’assone pertanto i canali del sodio che ricevono l’impulso si aprono
consentendo la fuoriuscita degli ioni e generando la depolarizzazione di
un tratto di membrana successivo, tale depolarizzazione si propaga
222
BIOLOGIA C3
come un onda lungo l’assone consentendo la trasmissione dell’impulso.
I canali del sodio restano aperti per pochissimo tempo (meno di due
millisecondi), dopo si chiudono spontaneamente e prima di riaprirsi
devono passare pochi millesimi di secondo. Questo periodo di tempo è
chiamato periodo refrattario ed è necessario alla pompa sodiopotassio per ristabilire la polarizzazione.
Pertanto l’impulso viaggia in avanti, verso i canali del sodio successivi
e non tornano indietro, infatti i canali del sodio appena aperti non
possono riaprirsi subito.
L’impulso nervoso nei vertebrati viaggia, lungo l’assone, ad una
velocità di circa 2 m/s, ma è una propagazione troppo lenta che non
consente di rispondere prontamente agli stimoli.
In alcuni invertebrati, come ad esempio il calamaro, la velocità di
propagazione di un impulso nervoso lungo un assone è di 10 m/s, una
velocità che consente loro di rispondere rapidamente agli stimoli,
questo è possibile perché gli assoni dei calamari hanno un diametro
maggiore rispetto a quelli di molti vertebrati, pertanto gli ioni riescono a
muoversi lungo gli assoni senza incontrare resistenza. La velocità di
propagazione dell’impulso nervoso dei vertebrati è quindi troppo lenta.
Perciò, per rispondere prontamente agli stimoli, i neuroni che
presentano gli assoni più lunghi e che di conseguenza hanno la
necessità di trasmettere gli impulsi più velocemente sono datati di
speciali cellule gliali, dette cellule di Schwann, che avvolgono l’assone
formando una guaina mielinica (lipidica) che isola la membrana
plasmatica. Tale guaina si interrompe in particolari punti, detti nodi di
Ranvier, che si ripetono lungo l’assone ad una distanza di circa 1 mm
l’uno dall’altro. L’assone ricoperto dalla guaina è detto fibra nervosa.
Fasci di fibre nervose tenute insieme da tessuto connettivo formano il
nervo.
L’impulso nervoso non può propagarsi nei punti dell’assone ricoperti
dalla guaina ma solo in corrispondenza dei nodi di Ranvier, pertanto
l’impulso viaggia saltando da un nodo all’altro con conseguente
aumento della velocità che da 2 m/s passa a 120 m/s.
223
BIOLOGIA C3
Nodi di Ranvier
L’intensità dell’impulso che si propaga lungo l’assone resta costante e
non dipende dalla potenza dello stimolo: una martellata su una gamba
rappresenta uno stimolo più potente rispetto ad una carezza ma non per
questo l’impulso viaggia più velocemente o è più intenso; quello che
cambia è la frequenza con cui si susseguono gli impulsi. Una martellata
produce molti impulsi nervosi che viaggiano dalla gamba al cervello
con una maggiore frequenza rispetto agli impulsi prodotti da una
carezza, quindi gli impulsi nervosi sono modulati in frequenza. Inoltre
gli impulsi nervosi seguono la legge del tutto o niente, nel senso che
l’impulso nervoso o si genera o non si genera affatto: lo stimolo
produce un impulso solo se si supera un determinato valore (limite
soglia) di potenziale elettrico di membrana ed in particolare solo se le
cariche elettriche negative, interne alla membrana cellulare,
diminuiscono da un valore di -70 mV (potenziale di riposo) ad almeno
-50 mV (limite soglia), una volta superato il valore soglia inizia la
depolarizzazione e quindi l’impulso nervoso si propaga, non può
fermarsi e si propaga con la stessa intensità lungo l’assone.
14.3 Sinapsi
Abbiamo visto come l’impulso nervoso si propaga lungo l’assone
vediamo ora come si propaga da un neurone all’altro o da un neurone ad
un'altra cellula ad esempio una cellula muscolare. La regione in cui un
neurone si collega con una seconda cellula è detta sinapsi, qui avviene
la comunicazione tra le cellule che può essere di tipo chimica (sinapsi
chimica) o di tipo elettrica (sinapsi elettrica).
224
BIOLOGIA C3
Sinapsi chimica
L’assone termina con il bottone sinaptico, all’interno del quale sono
presenti vescicole che contengono neurotrasmettitori (mediatori
chimici).
L’impulso nervoso, giunto al bottone sinaptico, fa aprire i canali del
calcio. Gli ioni calcio entrano all’interno del bottone sinaptico e
stimolano le vescicole a fondersi con la membrana e a far fuoriuscire i
neurotrasmettitori dal bottone sinaptico.
I neurotrasmettitori vengono riversati nello spazio sinaptico che separa
il bottone sinaptico dal neurone che deve ricevere l’impulso. I
neurotrasmettitori vengono catturati da recettori proteici, posti sulla
membrana plasmatica della cellula che riceve l’impulso, provocando
una depolarizzazione e quindi la propagazione dell’impulso nervoso, se
la cellula ricevente è un neurone, oppure una contrazione se la cellula
ricevente è una cellula muscolare.
Una volta rilasciati i neurotrasmettitori nello spazio sinaptico, questo va
ripulito il prima possibile, per evitare che la cellula ricevente sia
continuamente stimolata e non possa ricevere nuovi impulsi. A ciò
provvedono appositi enzimi che distruggono i neurotrasmettitori oppure
essi vengono riassorbiti dalla cellula emittente. I neurotrasmettitori
possono essere eccitatori o inibitori.
Sono eccitatori se provocano nella cellula ricevente un’apertura dei
canali del sodio, perciò una depolarizzazione della membrana e quindi
la propagazione dell’impulso nervoso dalla cellula emittente alla cellula
ricevente.
Sono inibitori se inducono gli ioni cloro ad entrare all’interno della
cellula ricevente aumentandone la negatività. Provocano quindi una
iperpolarizzazione della membrana e impediscono la trasmissione
dell’impulso nervoso (sinapsi inibitoria).
Nei vertebrati superiori, uomo compreso, le sinapsi chimiche sono più
frequenti di quelle elettriche.
Sinapsi elettrica
Nelle sinapsi elettriche l’impulso passa da un neurone all’altro senza
rilascio di neurotrasmettitori. Il neurone che trasporta l’impulso infatti
si collega direttamente al neurone che riceve l’impulso, ciò avviene
225
BIOLOGIA C3
tramite giunzioni comunicanti che consentono lo scambio grazie a
particolari canali. Queste giunzioni fanno aderire le membrane dei
rispettivi neuroni, senza creare spazio sinaptico. In questo modo
l’impulso nervoso passa da un neurone al neurone ad esso aderente,
questo meccanismo è presente in neuroni che devono condurre
velocemente l’impulso e che non hanno bisogno di meccanismi
inibitori.
Ogni neurone è collegato ad assoni derivanti da migliaia di neuroni,
quindi forma numerose sinapsi, inoltre ogni assone termina con bottoni
sinaptici che contengono sia neurotrasmettitori eccitatori che inibitori
pertanto ad ogni neurone arrivano numerosi impulsi derivanti da
diversi neuroni emittenti, i quali vengono sommati, proprio come una
somma algebrica e, se prevalgono gli impulsi eccitatori, il neurone
trasmetterà l’impulso.
Nei mammiferi le sinapsi elettriche sono presenti solo nel cuore e nel
tubo digerente.
14.4 Il sistema nervoso centrale
La maggior parte dei neuroni dei vertebrati è concentrata nel sistema
nervoso centrale, costituito dall’encefalo e dal midollo spinale, entrambi
rivestiti da tre membrane, le meningi. Partendo da quella aderente alla
struttura ossea (cranio per l’encefalo e vertebre per il midollo spinale)
troviamo la dura madre, l’aracnoide e la pia madre che aderisce
all’encefalo o al midollo spinale.
Tra l’aracnoide e la pia madre vi è il liquido cerebrospinale (o
cefalorachidiano) che deriva dal plasma, assicura protezione da
eventuali urti e trasporta al sistema nervoso centrale ossigeno, nutrienti
e ormoni.
L’encefalo è protetto dalla scatola cranica e contiene circa 100 miliardi
di neuroni, è formato dal tronco encefalico, cervelletto, diencefalo e
cervello.
Il tronco encefalico comprende il midollo allungato, il ponte e il
mesencefalo. Il midollo allungato, è il prolungamento del midollo
spinale, collega l’encefalo con il midollo spinale e contiene centri
nervosi che controllano la respirazione, il battito cardiaco e la pressione
del sangue. Il ponte insieme al midollo allungato controlla il pH del
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BIOLOGIA C3
sangue e la respirazione. Il mesencefalo contiene neuroni che elaborano
le informazioni provenienti dagli organi di senso, come quelle visive e
uditive e regola i movimenti che orientano il capo verso uno stimolo
visivo.
Il tronco encefalico ospita la formazione reticolare ovvero una rete di
nervi che ricevono informazione da tutte le parti dell’encefalo ma
seleziona solo quelle utili per la sopravvivenza risvegliando
l’attenzione, regola lo stato di veglia, il sonno e lo stato della
consapevolezza.
Il cervelletto è situato in corrispondenza della nuca, ha una struttura
molto simile al cervello, presenta infatti una superficie con pieghe o
convoluta, ha il compito di coordinare i movimenti volontari e
l’equilibrio del corpo.
Andare in bicicletta ad esempio richiede una coordinazione tra vista,
tatto, movimento degli arti, equilibrio ed è affidata al cervelletto.
Tutti i vertebrati dotati di movimenti veloci e precisi (mammiferi, pesci,
uccelli) presentano un cervelletto molto sviluppato.
Cervelletto (la parte evidenziata in viola)
Il diencefalo si trova al di sopra del cervelletto ed è formato da talamo,
ipotalamo ed epifisi. Il talamo è la parte più sviluppata del diencefalo,
ad esso arrivano le informazioni sull’ambiente esterno, provenienti
dagli organi di senso, che vengono inviate verso la corteccia cerebrale.
L’ipotalamo situato al di sotto del talamo, riceve le informazioni
227
BIOLOGIA C3
provenienti dall’ambiente interno e stimola l’ipofisi a secernere ormoni
necessari al mantenimento dell’omeostasi, rappresenta quindi il
collegamento tra il sistema nervoso e quello endocrino. Controlla le
emozioni come la sensazione di piacere, di dolore, di gioia e il
comportamento sessuale. L’epifisi o ghiandola pineale attraverso la
produzione di melanina regola i ritmi circadiani.
Il cervello o telencefalo, è la parte più voluminosa dell’encefalo,
formato da due emisferi uno destro e uno sinistro collegati tramite il
corpo calloso (fibre nervose). Gli emisferi cerebrali sono formati da uno
strato superficiale molle detto corteccia cerebrale o sostanza grigia,
formata dal corpo cellulare di circa 100 miliardi di neuroni, uno strato
spesso circa 4 mm che presenta numerose pieghe o circonvoluzioni.
La parte interna degli emisferi è la materia bianca, formata dagli assoni
rivestiti dalla guaina mielinica (perciò bianca). Nel corso
dell’evoluzione, gli emisferi cerebrali sono diventati sempre più grandi
ed è aumentato anche il numero delle circonvoluzione della corteccia
cerebrale, nell’uomo ad esempio è molto sviluppata tanto da occupare
gran parte dell’encefalo.
La corteccia cerebrale è suddivisa in quattro lobi: lobo frontale,
parietale, temporale e occipitale, ognuno separata dall’altro tramite
scissure (solchi).
Suddivisione in lobi della corteccia telenfalica
228
BIOLOGIA C3
Il lobo frontale si trova sulla parte anteriore degli emisferi ed è la zona
che riceve informazioni soprattutto dagli organi olfattivi e controlla i
movimenti. È la zona in cui ha sede la curiosità, dove vengono
elaborate le idee, dove si immagina il futuro, dove avvengono tutte le
attività mentali superiori.
Nella parte sinistra del lobo frontale si trova un’area molto importante
(centro di Broca) per il coordinamento del linguaggio: se questa zona
viene lesionata si hanno difficoltà di pronuncia.
Il lobo parietale si trova sulla parte superiore degli emisferi, riceve gli
stimoli tattili, dolorifici, termici. Nella parte sinistra si trova un’area
importante nella comprensione del linguaggio (centro di Wernicke), una
lesione di questa zona non consente di ricordare i termini adatti.
Il lobo temporale situato nella parte inferiore degli emisferi cerebrali,
riceve gli stimoli acustici e olfattivi ed è anche la sede della memoria.
Il lobo occipitale situato nella parte posteriore degli emisferi riceve gli
stimoli visivi.
La corteccia cerebrale è stata suddivisa in quattro lobi anche se su di
essa si possono individuare 52 zone dove ad ognuna viene assegnato un
nome in base al tipo di funzione che svolge, questa classificazione è
detta classificazione di Brodmann. Tra queste aree ricordiamo l’area
sensitiva primaria, l’area motrice primaria (4), l’area visiva primaria
(17), l’area acustica primaria, l’area gustativa (43), area primaria del
linguaggio (44, 45), ecc.
229
BIOLOGIA C3
Aree di Brodmann: Aree 3, 1 e 2 Corteccia somestesica
primaria (frequentemente elencate per convenzione nella
sequenza: "aree 3, 1, 2"); Area 4 Corteccia motoria
primaria (M1); Area 5 Corteccia associativa
somatosensoriale; Area 6 Corteccia premotoria e corteccia
motoria supplementare (Corteccia motoria secondaria)
(Area motoria supplementare); Area 17 Corteccia visiva
primaria (V1); Area 18 Corteccia visiva secondaria (V2);
Area 19 Corteccia visiva associativa (V3); Aree 41 e 42
Corteccia primaria e di associazione uditiva; Area 43 Area
subcentrale (tra l'insula e il giro post/precentrale); Area 44
- Opercoli, parte dell'area di Broca; Area 45 - Parte
triangolare (Area di Broca).
Al di sotto dei lobi temporali troviamo l’ippocampo che è implicato
nella formazione della memoria a lungo termine e l’amigdala che
gestisce le emozioni. Negli emisferi esistono poi delle aree che
occupano molto spazio, chiamate aree associative, che hanno il compito
di integrare e coordinare le informazioni provenienti dalle aree vicine,
ad esempio l’area associativa frontale riceve informazioni dalle aree
vicine in modo tale che l’individuo possa pensare, decide e parlare.
230
BIOLOGIA C3
L’emisfero destro controlla le funzione della parte sinistra del corpo e
l’emisfero sinistro controlla le funzioni della parte destra del corpo.
Del sistema nervoso centrale fa parte anche il midollo spinale. È un
cordone che parte dal midollo allungato e arriva alla regione lombare,
protetto dalla colonna vertebrale e dalle meningi, è formato
internamente da materia grigia ed esternamente da materia bianca (il
contrario rispetto al cervello).
Sezione di midollo spinale
Se si osserva una sezione trasversale del midollo si può notare al centro
la materia grigia che forma una struttura a forma di farfalla. Alle ali
dorsali (corna posteriori) arrivano fibre nervose sensoriali che
trasportano i segnali provenienti dagli organi di senso che devono
essere condotti all’encefalo, dalle ali ventrali (corna anteriori) partono
fibre nervose motorie che trasportano i segnali provenienti dall’encefalo
ai muscoli o alle ghiandole.
Le fibre nervose uscite dal midollo si uniscono per formare i nervi
spinali.
Il midollo spinale oltre a trasportare gli impulsi nervosi dall’encefalo al
resto del corpo e dal corpo all’encefalo dà origine ai riflessi ovvero a
risposte, involontarie (in quanto non sono comandate dal cervello) e
rapide a stimoli esterni.
Un riflesso semplice che si origina nel midollo spinale è l’arco riflesso.
Ad esempio, quando il medico colpisce con un martelletto il tendine al
231
BIOLOGIA C3
di sotto della rotula, provoca come riflesso l’estensione della gamba. Il
martelletto stimola i recettori situati sul tendine che inviano impulsi
nervosi alla fibra nervosa sensoriale arrivando al midollo osseo. Qui
viene elaborata la risposta e inviata alla fibra nervosa motoria che esce
dal midollo spinale. La risposta arriva al muscolo del quadricipite del
femore facendolo contrarre e provocando la distensione della gamba. In
questo meccanismo non viene coinvolto il cervello, esso infatti non ha
ricevuto nessun impulso.
Molte attività della nostra vita sono regolate da riflessi come la
salivazione che viene provocata dal sapore del cibo, la deglutizione
oppure il ritiro immediato della mano dopo aver toccato una superficie
rovente, anche se in questo ultimo caso possiamo modulare questo
riflesso, cioè decidere di mantenere la mano vicino alla fonte di calore.
Ciò è possibile perché tra il neurone sensoriale e quello motorio vi è un
altro neurone, che presenta un lungo assone, che risale il midollo
spinale e lo collega al cervello, il quale decide di bloccare il riflesso.
14.5 Il sistema nervoso periferico
Le fibre nervose sensoriali provenienti dalle corna posteriore della
materia grigia del midollo spinale e le fibre nervose motorie provenienti
dalle corna anteriori si uniscono a formare i nervi spinali che fanno
parte del sistema nervoso periferico, sono nervi misti formati cioè da
due tipi di fibre (sensoriali e motorie).Vi sono 33 paia di nervi spinali,
un paio per ogni vertebra.
Dopo che il nervo spinale fuoriesce dalla vertebra, attraverso il foro
intervertebrale, si divide in due parti, un ramo dorsale e un ramo
ventrale, ogni ramo contiene sia fibre sensitive che fibre motorie.
Il ramo dorsale arriva alla muscolatura e alla cute della zona dorsale del
corpo mentre il ramo ventrale arriva alla muscolatura e alla cute degli
arti e alla zona ventrale e laterale del tronco.
I rami ventrali che innervano una stessa zona si uniscono a formare dei
plessi che si suddividono in:
plesso cervicale (C1-C5) innerva i muscoli del collo, la cute e il
diaframma;
plesso brachiale (C5-T1) innerva la scapola e il braccio;
232
BIOLOGIA C3
plesso lombare (T12-L4) e sacrale (L4-S1) innervano il cinto
pelvico e la gamba.
Solo i rami ventrali della zona toracica e tutti i rami dorsali non
formano plessi.
Del sistema nervoso periferico oltre ai nervi spinali fanno parte anche i
nervi cranici. Sono 12 paia e sono collegati all’encefalo. Quelli formati
da fibre nervose sensoriali raccolgono le informazioni provenienti dagli
organi di senso e le inviano all’encefalo, quelli formati da fibre motorie
invece inviano le informazioni dall’encefalo ai muscoli, ad esempio
comandano i movimenti dell’occhio, delle palpebre, della lingua, infine
vi sono quelli misti formati sia da fibre sensoriali che motorie come il
nervo trigemino che innerva i muscoli della masticazione o il nervo
intermediofacciale che innerva i muscoli facciali.
L’insieme di nervi (cranici e spinali) quindi forma il sistema nervoso
periferico. Questi nervi trasportano le informazioni provenienti dagli
organi di senso al sistema nervoso centrale e pertanto sono detti anche
nervi afferenti. Oppure attraverso le fibre motorie trasportano i
comandi dal sistema nervoso centrale ai muscoli, alle ghiandole e ad
altri organi interni, pertanto sono detti nervi efferenti.
Il sistema nervoso periferico viene suddiviso in sistema nervoso
somatico e sistema nervoso autonomo, quest’ultimo a sua volta viene
suddiviso in sistema nervoso parasimpatico e simpatico.
Il sistema nervoso somatico o volontario è formato dai nervi efferenti
che portano le informazioni ai muscoli scheletrici determinando il
movimento, è detto anche volontario perché controlla tutte le nostre
attività volontarie come camminare, saltare ecc.
Le fibre motorie dei nervi efferenti, sono gli assoni dei neuroni motori
della corteccia cerebrale (corteccia motoria) che si prolungano lungo il
midollo spinale. Questi, prima di arrivare al midollo, si incrociano e
quindi le fibre che provengono dalla corteccia motoria dell’emisfero
destro arrivano nel midollo spinale sinistro e quelle che partono
dall’emisfero sinistro arrivano al midollo spinale destro.
Una volta arrivati al midollo entrano nella materia grigia del midollo e
trasmettono informazioni ad altri neuroni che le trasportano ai muscoli
scheletrici facendoli contrarre e consentendo il movimento, questo
percorso è chiamato via motrice piramidale.
233
BIOLOGIA C3
Molti neuroni motori non presentano prolungamenti così lunghi da
arrivare direttamente al midollo, pertanto le informazioni vengono
trasmesse ad altri neuroni, successivamente arrivano nel midollo spinale
e poi vengono trasmesse al muscolo. Questo percorso è chiamato
extrapiramidale e consente di rendere automatici alcuni movimenti
volontari, come ad esempio guidare l’auto.
Il sistema nervoso autonomo o involontario invece controlla i
movimenti degli organi interni o l’attività del sistema endocrino: è
chiamato autonomo perché agisce indipendentemente dalla nostra
volontà.
Il sistema simpatico è formato da una serie di gangli (insieme di
neuroni) situati lungo la colonna vertebrale, dai quali partono i nervi
simpatici che innervano gli organi interni e la muscolatura liscia. Essi
sono responsabili delle risposte dell’organismo a situazioni di stress
fisico o psicologico, di sforzo fisico, di paura. Infatti accelerano il
battito cardiaco, bloccano la salivazione, dilatano i bronchi, stimolano il
fegato a rilasciare glucosio ecc. contemporaneamente interviene il
sistema parasimpatico che attraverso i nervi parasimpatici, che
partono da neuroni motori situati nel midollo allungato e nella zona
sacrale del midollo spinale, sono responsabili del ritorno alla normalità.
Dopo una situazione di stress, essi rallentano il battito cardiaco,
contraggono i bronchi, ecc. pertanto ad uno stesso organo possono
arrivare sia nervi simpatici che parasimpatici provocando però degli
effetti opposti. I nervi simpatici come risposta ad una situazione di
stress rilasciano un neurotrasmettitore, la norepinefrina, che accelera il
battito cardiaco mentre i nervi parasimpatici rilasciano un altro
neurotrasmettitore, l’acetilcolina, che invece rallenta il battito
ristabilendo le condizioni precedenti allo stress.
Alcune persone riescono a controllare il sistema nervoso simpatico
attraverso tecniche di meditazione con le quali riescono a tenere sotto
controllo la risposta a situazioni di stress in particolare controllando il
ritmo cardiaco.
234
BIOLOGIA C3
Sistema nervoso autonomo
235
BIOLOGIA C3
14.6 I recettori
I recettori sono terminazioni di cellule nervose che percepiscono gli
stimoli provenienti sia dall’ambiente esterno sia dall’ambiente interno
all’organismo, convertono gli stimoli in impulsi elettrici e li
convogliano verso il sistema nervoso centrale che genera una risposta.
Ogni recettore può percepire un determinato tipo di stimolo ad esempio:
i fotorecettori, si trovano sulla retina e percepiscono lo stimolo
della luce,
i chemiorecettori percepiscono gli stimoli chimici come ad
esempio il gusto o olfatto, quelli del gusto situati nelle papille
gustative e quelli dell’olfatto situati sull’epitelio olfattivo,
i termorecettori percepiscono le variazioni termiche, presenti
nella cute (percepiscono variazioni di temperatura dell’ambiente
esterno) e nell’ipotalamo (percepiscono variazioni della
temperatura interna),
i meccanorecettori percepiscono variazioni meccaniche come
variazioni di pressione, di tensione, di gravità, un esempio sono
i recettori del tatto o del dolore situati nella cute o propriocettori
situati sui muscoli che trasmettono informazioni anche sul
movimento e sulla posizione spaziale del corpo,
gli enterocettori che percepiscono gli stimoli provenienti dagli
organi interni come quelli che provengono dal tubo digerente.
Se lo stimolo è costante e di lunga durata allora i recettori non inviano
più gli impulsi nervosi; si ha quindi un adattamento sensoriale. È
questo il motivo per cui, stando seduti, dopo un po’ di tempo non
sentiamo più il nostro piano d’appoggio, in quanto i recettori della
pressione hanno smesso di rispondere allo stimolo.
L’adattamento avviene per non sovraccaricare il sistema nervoso
centrale di troppe informazioni che sarebbero inutili per l’individuo,
quindi ciò che i recettori devono percepire sono solo i cambiamenti
provenienti dall’ambiente esterno o interno atti a generare le risposte
appropriate.
236
BIOLOGIA C3
Orecchio
I recettori sono situati negli organi di senso, i recettori dell’udito si
trovano nell’organo di senso dell’udito ovvero l’orecchio, esso è
distinto in tre parti: orecchio esterno, orecchio medio e orecchio interno.
Anatomia dell’orecchio*: Orecchio esterno: 1 pericondrio,
2 condotto uditivo, 3 padiglione auricolare. Orecchio
medio: 4 timpano, 5 finestra ovale, 6 martello, 7 incudine, 8
staffa. Orecchio interno: 9 canali semicircolari, 10 coclea,
11 nervo acustico, 12 tromba di Eustachio.
L’orecchio esterno è formato dal padiglione auricolare, dal condotto
uditivo e dal timpano. Il padiglione auricolare è una lamina
cartilaginea che ha il compito di raccogliere e convogliare le vibrazioni
dell’aria (onde sonore) al condotto uditivo. È rivestito da un epitelio
ricco di ghiandole che secernono cerume, il cerume trattiene eventuali
corpi estranei presenti nell’aria come il pulviscolo. Dal condotto uditivo
il suono giunge al timpano, una membrana elastica che si estende da un
lato all’altro del condotto uditivo. Il timpano vibra appena viene colpito
dalle onde sonore.
Con il timpano termina l’orecchio esterno e comincia l’orecchio medio,
una cavità in cui è presente l’aria che entra attraverso un condotto,
chiamato tromba di Eustachio, che è in comunicazione con la faringe
237
BIOLOGIA C3
dalla quale entra aria a pressione atmosferica. Per questo motivo la
membrana timpanica è sottoposta, da un lato e dall’altro, alla stessa
pressione. Nel caso si verifichino cambiamenti di pressione atmosferica,
come può accadere in aereo o in alta montagna, si tappano le orecchie
ed è possibile eliminare questa sensazione fastidiosa deglutendo o
sbadigliando perché in questo modo si apre la tromba di Eustachio e si
ristabilisce all’interno dell’orecchio medio una pressione uguale a
quella atmosferica.
All’interno dell’orecchio medio si trovano tre ossicini, martello,
incudine e staffa, uniti tra di loro. Il martello è attaccato alla membrana
del timpano, quando questa membrana vibra trasmette la vibrazione al
martello che a sua volta la trasmette all’incudine e da qui alla staffa.
La vibrazione viene trasmessa dalla staffa alla coclea, passando per la
finestra ovale che è un foro nel cranio rivestito da una membrana.
Con la coclea inizia l’orecchio interno, simile ad un tubicino avvolto a
spirale contenente del liquido che è suddiviso in tre canali.
Nel canale centrale si trova l’organo del Corti, formato da due
membrane, una basilare sulla quale si trovano i recettori dell’udito
(cellule cigliate) e una membrana tettoria che sovrasta le cellule cigliate.
La vibrazione ricevuta dalla coclea fa vibrare anche il liquido in essa
presente che mette in movimento la membrana basilare e spinge le
cellule cigliate contro la membrana tettoria provocandone il piegamento
e inducendo una depolarizzazione delle cellule cigliate e il rilascio di
neurotrasmettitori che generano impulsi nervosi che vengono
convogliati al nervo acustico diretto all’encefalo.
Le vibrazioni non mettono in movimento tutta la membrana basilare,
infatti suoni di intensità alta mettono in movimento una regione
specifica della membrana, mentre suoni di intensità bassa fanno vibrare
un’altra zona della membrana e quindi altre cellule cigliate. Siccome le
cellule cigliate sono collegate a fibre differenti nel nervo acustico, ogni
fibra può stimolare cellule cerebrali diverse. Vibrazioni troppo forti
possono provocare la rottura delle cellule cigliate e quindi causare danni
all’udito.
L’orecchio oltre ad essere l’organo dell’udito è anche l’organo
dell’equilibrio infatti nell’orecchio interno vi è il labirinto, costituito
da canali semicircolari. Cambiando la posizione del capo si sposta il
238
BIOLOGIA C3
liquido presente nei canali semicircolari provocando una pressione su
alcune delle cellule cigliate, che generano gli impulsi nervosi, e questi
tramite il nervo acustico, arrivano al cervelletto, il quale riceve le
informazioni sulla posizione del corpo e le integra con altre
informazioni sensoriali. Da qui gli impulsi nervosi verranno trasmessi ai
muscoli i quali si contraggono per mantenere la posizione o per
effettuare un movimento. Infiammazioni del labirinto provocano la
labirintite che causa vertigini e perdita dell’equilibrio.
Naso
I recettori dell’odore sono situati nell’organo di senso dell’olfatto
ovvero il naso. Le cavità nasali sono rivestite da una mucosa nella quale
si trovano le terminazioni nervose delle cellule olfattive (recettori
olfattivi).
La terminazione nervosa viene stimolata dalla molecola dell’odore, che
entra nella cavità nasale tramite l’aria inspirata, inducendo la
depolarizzazione e quindi producendo un impulso che verrà trasmesso
alla cellula olfattiva, questa tramite il nervo olfattivo, raggiunge il
bulbo olfattivo, situato nel lobo frontale del telencefalo.
Le informazioni olfattive arrivano anche al sistema limbico
dell’encefalo, una serie di strutture di cui fanno parte l’ippocampo e
l’amigdala, pertanto un odore può stimolare centri cerebrali della
memoria e delle emozioni.
Attraverso gli odori l’uomo riesce a percepire le caratteristiche
chimiche dell’ambiente che lo circonda e quelle dei cibi che mangia,
pertanto l’olfatto è strettamente legato al gusto, infatti un forte
raffreddore ci fa sembrare i cibi insipidi.
Lingua
I recettori del gusto, detti bottoni gustativi, sono contenuti nelle papille
gustative, situate sulla lingua, l’organo di senso del gusto. I recettori
del gusto percepiscono le sostanze chimiche disciolte nella saliva. I
sapori che possiamo percepire sono il dolce, che viene percepito dai
recettori presenti sulla punta della lingua, l’amaro che viene percepito
da recettori presenti alla base della lingua, il salato che viene percepito
dai recettori situati alla punta e ai margini della lingua e l’acido che
viene percepito dai recettori situati ai margini e nel mezzo della lingua.
239
BIOLOGIA C3
Ogni bottone gustativo è formato da cellule sensoriali che vengono
stimolate dalle sostanze chimiche che sono disciolte nella saliva e
producono degli impulsi nervosi che attraverso le fibre del nervo
glossofaringeo e vago arrivano all’encefalo. Le cellule gustative
vengono continuamente rinnovate, vivono infatti pochi giorni.
Tatto
I recettori del tatto sono situati nell’organo di senso del tatto ovvero la
pelle. La pelle ospita diversi tipi di recettori, tra cui:
i corpuscoli di Meissener, situati nei polpastrelli, nel palmo della
mano e nella pianta del piede che sono responsabili del senso
del tatto,
i corpuscoli di Pacini, situati nella zona profonda del derma,
percepiscono le variazioni di pressione,
i corpuscoli di Golgi-Mazzoni e di Krause situati sul dorso della
mano, nelle gote e sulla punta della lingua, percepiscono il caldo
o il freddo,
i corpuscoli di Merkel situati tra l’epidermide e il derma che
percepiscono il tatto,
i corpuscoli di Ruffini situati nella parte profonda del derma,
percepiscono le variazione della tensione superficiale sulla pelle.
Sulla pelle poi sono situate varie terminazioni nervose libere che
percepiscono il caldo, il freddo e il dolore.
Le zone del nostro corpo che presentano più recettori del tatto sono
labbra, polpastrelli, palmo dei piedi e i genitali. Questi recettori una
volta stimolati trasportano gli impulsi nervosi ai neuroni del midollo
spinale o del midollo allungato che sono a loro volta collegati con altri
neuroni che trasmettono queste informazioni alla corteccia cerebrale.
Occhio
I recettori visivi sono situati nell’organo di senso della vista ovvero
l’occhio. L’occhio è situato in una cavità detta orbita ed è protetto dalle
palpebre, dalle ciglia ed è lubrificato dal secreto delle ghiandole
lacrimali.
La parte dell’occhio contenuta nell’orbita è il bulbo oculare che è
rivestito da tre strati sovrapposti. Lo strato esterno è la sclera che nella
parte anteriore diventa trasparente formando la cornea. Lo strato
240
BIOLOGIA C3
intermedio è la coroide (o membrana coroidea) ricco di vasi sanguigni,
è uno strato scuro in quanto impedisce la riflessione della luce
all’interno dell’occhio, anteriormente, in prossimità della cornea, forma
l’iride che conferisce colorazione all’occhio e che contiene fibre
muscolari che contraggono o dilatano la pupilla. Il foro presente nel
centro dell’iride permette alla luce di entrare nella parte interna
dell’occhio.
Dietro la pupilla vi è il cristallino, una lente biconvessa, circondata da
un muscolo circolare che contraendosi o dilatandosi varia la curvatura
della lente consentendo la messa a fuoco di un oggetto, tale variazione
avviene in automatico e in maniera rapida.
All’interno dell’occhio quindi vi sono due cavità, una avanti al
cristallino più piccola che contiene l’umor acqueo (un liquido simile al
plasma sanguigno) e l’altra dietro al cristallino piena di umor vitreo
(gelatinoso).
L’umor acqueo è secreto dal corpo ciliare, nutre e ossigena il cristallino,
l’iride e la cornea ed elimina le sostanze di rifiuto.
Il cristallino proietta l’immagine sulla retina, è un’immagine capovolta
ma ciò non è importante in quanto l’immagine viene interpretata dal
cervello e non dall’occhio. Lo strato più interno è la retina costituita dai
recettori della luce, ovvero bastoncelli e coni. I bastoncelli
maggiormente presenti alla periferia della retina, consentono la visione
in bianco e nero e sono utili per la visione nel buio (visione scotopica),
mentre i coni maggiormente concentrati nella zona centrale della retina,
chiamata fovea, consentono la visione a colori, utili per la visione in
condizioni di luce intensa (visione fotopica).
All’interno dei bastoncelli sono presenti dei pigmenti, rodopsine, che
vengono stimolati dalla luce (essa attraverso la pupilla arriva alla retina)
che provoca una depolarizzazione della membrana mentre all’interno
dei coni sono presenti pigmenti visivi detti fotopsine che assorbono la
luce intensa e colorata
L’impulso nervoso viene poi trasmesso al nervo ottico, situato nel punto
cieco della retina, che lo conduce all’encefalo dove viene elaborato ed
integrato da altre informazione e trasformato in immagine visiva.
241
BIOLOGIA C3
Parti dell’occhio: 1.camera posteriore, 2.ora serrata, 3.muscolo
ciliare, 4.zonale ciliare, 5.canale di Schlemm, 6.pupilla,
7.camera anteriore,
8.cornea,
9.iride,
10.capsula del
cristallino, 11.nucleo del cristallino, 12.processi ciliari,
13.congiuntiva, 14.muscolo obliquo inferiore, 15.muscolo retto
inferiore, 16.muscolo retto mediale, 17.vasi retinici, 18.disco
ottico, 19.dura madre, 20.arterie centrali retiniche, 21.vene
centrali retiniche, 22.nervo ottico, 23.vene vorticose, 24.fascia
bulbare, 25.macula,
26.fovea,
27.sclera,
28.coroide,
29.muscolo retto superiore, 30.retina.
242
BIOLOGIA C3
Approfondimenti
Video sulla sinapsi chimica
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Synapse.theora.ogv
Come è fatto il cervello, video
http://www.youtube.com/watch?v=7R8E_4OTn4I
Il cervello e la droga, video
http://www.youtube.com/watch?v=AwhrivV44nI
Rappresentazione 3D del cervelletto
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Cerebellum.gif
Rappresentazione 3D dei lobi del cervello
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Four_lobes.gif
Mappe concettuali con foto e disegni del sistema nervoso periferico
http://cmapspublic.ihmc.us/rid=1J7XPQZKM-2BGP8S7165Z/Sist_Nerv_Periferico.cmap
Modello 3D del cervello umano
http://www.g2conline.org/2022
Videolezioni
Il sistema nervoso
http://lezioni.matematicamente.it/secondaria-secondogrado/biologia/2526-il-sistema-nervoso.html
I neuroni
http://lezioni.matematicamente.it/secondaria-secondogrado/biologia/2542-i-neuroni.html
Apparato sensoriale
http://lezioni.matematicamente.it/secondaria-secondogrado/biologia/2530-apparato-sensoriale.html
243
BIOLOGIA C3
15. Riproduzione e sviluppo
15.1 Riproduzione e sviluppo
L’apparato riproduttore ha lo scopo di assicurare la continuità della
specie attraverso la produzione di gameti, gli spermatozoi per i maschi
e cellule uovo per le femmine. Gli spermatozoi vengono prodotti dalle
gonadi maschili, ovvero dai testicoli, mentre le cellule uovo dalle
gonadi femminili, ovvero le ovaie.
L’apparato riproduttore maschile ha quindi lo scopo di produrre
spermatozoi e di immetterli, attraverso il pene, nelle vie genitali
femminili.
L’apparato riproduttore femminile ha invece lo scopo di produrre
cellule uovo, ricevere gli spermatozoi e nutrire l’embrione che si forma
dallo zigote, la prima cellula diploide del nostro organismo che si forma
dall’incontro dello spermatozoo con la cellula uovo (fecondazione).
La riproduzione che avviene mediate i gameti è detta gamica o sessuata,
tuttavia molti animali presentano un tipo di riproduzione agamica o
asessuata cioè senza produzione di gameti. Per esempio, i Poriferi e gli
Cnidari si riproducono per gemmazione ovvero per formazione di una
gemma che si stacca e dà origine ad un individuo identico al genitore.
Nelle specie che si riproducono gamicamente, come l’uomo, troviamo
diversità fisica tra il maschio e la femmina cioè un diverso apparato
riproduttivo, ma anche diversi caratteri sessuali secondari. Nei
mammiferi si ha un maggiore sviluppo delle mammelle nelle femmine,
nel maschio una statura più elevata, una muscolatura più sviluppata e
un bacino più stretto; la respirazione è addominale nel maschio, toracica
nella femmina per non essere d’ostacolo durante la gravidanza, l’uomo
ha una maggiore quantità di peli e la voce più forte. Tutti i caratteri
sessuali secondari vengono sviluppati durante la pubertà, quando le
gonadi cominciano ad essere attive, cioè quando iniziano a produrre
gameti e ormoni come il testosterone necessario per lo sviluppo dei
caratteri sessuali maschili e gli estrogeni necessari per lo sviluppo di
quelli femminili.
Molte piante e alcuni animali possiedono sia le gonadi maschili sia
quelle femminili, sono cioè ermafroditi. In questi individui non c’è una
separazione dei sessi, come per gli individui a riproduzione sessuata,
244
BIOLOGIA C3
infatti presentano gli organi sessuali maschili e femminili sullo stesso
individuo. Esempi sono le chiocciole, i lombrichi o alcuni molluschi
come i nudibranchi, in questi casi uno stesso individuo produce sia
spermatozoi che cellule uovo.
15.2 Apparato riproduttore maschile
Nei mammiferi, compreso l’uomo, gli spermatozoi vengono prodotti
nelle gonadi, ovvero nei testicoli, strutture ovoidali del diametro di
massimo 4 cm. Ogni maschio presenta due testicoli situati in un sacco,
detto scroto, che si trova all’esterno della cavità addominale in quanto
la temperatura interna del corpo, che è di 37 °C, è dannosa per la
formazione degli spermatozoi, pertanto lo scroto trovandosi all’esterno
del corpo ha una temperatura inferiore (34°C) e assicura la corretta
produzione degli spermatozoi. L’interno dei testicoli è suddiviso in
circa 250 compartimenti, ognuno dei quali è completamente riempito
dai tubuli seminiferi, canali nei quali avviene la spermatogenesi,
ovvero la maturazione degli spermatozoi. Ogni tubulo seminifero è
lungo circa 80cm e i due testicoli insieme ne contengono circa 500m.
Apparato riproduttore maschile. 1.Vescica, 2.Osso pubico, 3.Pene,
4.Corpo cavernoso, 5.Glande, 6.Prepuzio, 7.Uretra, 8.Colon
sigmoideo, 9.Retto, 10.Vescicola seminale, 11.Dotto eiaculatore,
12.Prostata, 13.Ghiandole di Cowper, 14.Ano, 15.Dotto deferente,
16.Epididimo, 17.Testicolo, 18. Scroto.
245
BIOLOGIA C3
All’inizio della pubertà (10-11anni), l’adenoipofisi produce l’ormone
luteinizzante (LH) che stimola le cellule di Leydig, situate nei testicoli,
tra i tubuli seminiferi, a produrre testosterone indispensabile per la
maturazione degli spermatozoi e per la comparsa dei caratteri sessuali
secondari.
Sulle pareti dei tubuli seminiferi sono presenti delle cellule,
spermatogoni, cellule seminali diploidi immature che si dividono per
mitosi diventando spermatociti primari (2n), ogni spermatocita primario
va incontro ad una prima divisione meiotica formando due spermatociti
secondari (n) e una seconda divisione meiotica che porta alla
formazione di quattro spermatidi (cellule aploidi).
Ogni spermatidio matura, in circa due mesi e mezzo, in spermatozoo,
grazie anche al nutrimento fornito dalle cellule del Sertoli presenti nel
tessuto dei tubuli seminiferi.
Alcuni spermatociti primari continuano a dividersi per mitosi in modo
da creare una scorta dalla quale attingere per formare nuovi
spermatozoi. Gli spermatidi man mano che maturano vanno verso
l’epididimo, una struttura situata superiormente a ciascun testicolo,
formata da una serie di dotti che si uniscono in un unico canale (vaso
deferente che si collega con l’uretra), all’interno dell’epididimo gli
spermatozoi non sono ancora mobili e continuano la maturazione
sviluppando poi la motilità dopo circa 12 giorni. I due vasi deferenti
sono rivestiti da tre strati di tessuto muscolare liscio e contraendosi
spingono in avanti gli spermatozoi.
Uno spermatozoo maturo è formato da una testa nella quale è presente
il nucleo. Anteriormente alla testa vi è una zona detta acrosoma,
contenente gli enzimi necessari alla penetrazione della cellula uovo, un
tratto intermedio che contiene i mitocondri che forniscono l’energia
necessaria al raggiungimento della cellula uovo e una coda che
rappresenta l’organo di movimento. La spermatogenesi è un fenomeno
che inizia dalla pubertà e continua per tutta la vita dell’individuo.
246
BIOLOGIA C3
Spermatozoo
I due vasi deferenti si avvolgono intorno alla vescica e insieme ai dotti
che provengono dalle vescicole seminali, confluiscono nella prostata
per passare poi nell’uretra e, attraverso questa, sono espulsi all’esterno
del corpo.
Prima di raggiungere l’uretra agli spermatozoi viene aggiunto del
liquido secreto dalle vescicole seminali, dalla prostata e dalle ghiandole
di Cowper. Le vescicole seminali producono un liquido ricco di
fruttosio che ha la funzione di nutrimento per gli spermatozoi, e con
un’elevata presenza di prostaglandine che stimolano le contrazioni
247
BIOLOGIA C3
dell’apparato riproduttore femminile per facilitare la risalita degli
spermatozoi verso la cellula uovo.
La prostata, produce un liquido lattiginoso e alcalino che ha il compito
di proteggere gli spermatozoi dall’acidità dell’uretra e della vagina
dovuta all’eventuale presenza di urina. Le ghiandole di Cowper
producono un liquido lubrificante. L’insieme dei liquidi con gli
spermatozoi formano lo sperma o liquido seminale.
Lo sperma convogliato all’uretra, un condotto che attraversa il pene, in
seguito a contrazioni della muscolatura e dei vasi deferenti fuoriesce
all’esterno del corpo (eiaculazione).
Il pene è l’organo copulatore, è costituito da tessuto spugnoso (corpi
cavernosi) che, in seguito allo stimolo sessuale, può riempirsi di sangue,
provocandone irrigidimento ed ingrandimento (erezione). Solo in
seguito all’erezione è possibile la copulazione, ovvero l’introduzione
del pene nella vagina.
Il pene quindi è l’organo che consente il passaggio del liquido seminale
dalle vie genitali maschili a quelle femminili.
A ogni eiaculazione vengono emessi circa 3-4 ml di liquido seminale
contenente 120-400 milioni di spermatozoi. Dopo l’eiaculazione,
l’ipofisi, stimolata dall’ipotalamo, rilascia l’ormone luteinizzante (LH)
e l’ormone follicolostimolante (FSH) che attraverso la circolazione
sanguigna giungono ai testicoli, stimolando l’attività delle cellule di
Leyding a produrre testosterone, indispensabile per la produzione di
spermatozoi. L’elevata concentrazione di testosterone nel sangue blocca
il rilascio degli ormoni LH e FSH (feedback negativo) e di conseguenza
la produzione di testosterone e di spermatozoi. Una seconda
eiaculazione farà ricominciare il ciclo.
15.3 Apparato riproduttore femminile
Le cellule uovo o ovuli, ovvero i gameti femminili, vengono prodotti
nelle gonadi femminili, ovvero le ovaie o ovari. Le ovaie sono due
organi a forma di mandorla, lunghe circa 3-4 cm, presenti all’interno
della cavità addominale.
248
BIOLOGIA C3
Apparato riproduttore femminile
Vista frontale dell’apparato riproduttore femminile
Vicino ad ogni ovaia si trova un canale detto ovidutto o tuba di
Falloppio che comunica con l’utero. La parete dell’ovidotto è rivestita
da ciglia che spingono l’ovulo, rilasciato dall’ovaia nell’ovidutto, verso
l’utero.
L’utero è un organo muscolare cavo che si trova dietro la vescica e
davanti l’intestino retto, lungo circa 7 cm, rivestito internamente da una
249
BIOLOGIA C3
mucosa, endometrio, ricca di vasi sanguigni. Durante la gravidanza
quest’organo è in grado di dilatarsi.
La parte inferiore dell’utero si restringe e forma un anello muscolare,
detto cervice o collo dell’utero che si immette nella vagina, un tubo
muscolare lungo 7-8 cm che si apre all’esterno. Durante un rapporto
sessuale la vagina riceve il pene, durante il parto si dilata per permettere
la fuoriuscita del neonato e sempre attraverso di essa fuoriescono le
secrezioni uterine.
L’apertura vaginale è ricoperta da una membrana (imene) che si lacera
in seguito al primo rapporto sessuale, inoltre è circondata da pieghe
della cute che formano all’interno le piccole labbra e all’esterno le
grandi labbra che proteggono sia l’apertura della vagina che
dell’uretra.
In prossimità dell’unione delle piccole labbra è presente il clitoride,
simile ad un piccolo pene estremamente sensibile.
Nel tessuto circostante sono presenti le ghiandole di Bartolini che
producono un liquido lubrificante, queste strutture intorno all’apertura
vaginale rappresentano i genitali esterni e vengono chiamate vulva.
Le cellule uovo a differenza degli spermatozoi sono gameti non dotati
di movimenti propri, a maturità sono più grandi in quanto contengono
sostanze nutritive per alimentare la prima cellula dell’embrione (lo
zigote). La loro maturazione completa avviene solo dopo la
fecondazione.
Il processo che porta alla produzione di cellule uovo è detto oogenesi,
inizia nei primi stadi di sviluppo embrionale quando le cellule germinali
mature migrano sulla superficie dell’ovaia ancora in formazione e
cominciano a dividersi per mitosi formando circa 2 milioni di oogoni,
cellule diploidi. Nel corso dello sviluppo embrionale però molti di
questi oogoni degenerano, quelli che restano attivi aumentano di
dimensioni e diventano oociti primari, ancora diploidi.
Alla nascita una bambina ha circa 750.000 oociti primari e fino al
momento della pubertà gli oociti primari continuano a morire (apoptosi)
riducendoci a circa 400.000 ma di questi soltanto 300-400 giungeranno
a maturazione nel corso della vita della donna.
250
BIOLOGIA C3
Durante la pubertà (12-13 anni) l’ipofisi produce l’ormone
follicolostimolante che stimola lo sviluppo delle ovaie e la produzione
di estrogeni.
Un oocita primario alla volta (uno ogni mese), avvolto da altre cellule
che formano il follicolo, continua, per effetto degli ormoni sessuali
(estrogeni), la divisone meiotica, iniziata già nella fase fetale, formando
due cellule aploidi, un oocita secondario e un piccolo globulo polare,
quest’ultimo non potrà diventare cellula uovo ma potrà solo dividersi.
L’oocita secondario all’interno del follicolo comincia ad aumentare di
dimensioni e si muove all’interno dell’ovaia, quando è maturo il
follicolo scoppia facendo fuoriuscire l’oocita secondario (ovulazione) il
quale prima di essere espulso inizia la seconda divisione meiotica che si
arresta allo stadio della metafase.
Fermo a questo stadio l’oocita secondario viene espulso dall’ovaio e
arriva nell’ovidutto dove resta 3 giorni, se viene fecondato continua la
divisione meiotica formando un secondo globulo polare e un ootidio
mentre il globulo polare dividendosi meioticamente forma altri due
globuli polari, alla fine della seconda divisione meiotica avremo un
ootidio e tre globuli polari.
L’ootidio diventerà cellula uovo mentre i globuli polari degenerano, il
citoplasma della cellula uovo è ricco di nutrienti (tuorlo) necessari a
nutrire l’embrione, la cellula uovo fecondato a questo punto si dirige
verso l’utero, se invece l’oocita secondario non viene fecondato, muore
e viene espulso attraverso le mestruazioni.
15.4 Ciclo mestruale
Il ciclo mestruale comprende modificazioni che interessano sia l’ovaio
(ciclo ovarico) sia l’endometrio (ciclo uterino), esse avvengono
parallelamente e vengono suddivise in varie fasi.
Il ciclo mestruale inizia quando la mucosa uterina (endometrio), che si
era ispessita per prepararsi all’impianto della cellula uovo fecondata, si
sfalda e viene espulsa attraverso la vagina, insieme al sangue e alla
cellula uovo non fecondata, inizia così il flusso mestruale che dura in
media 5 giorni.
La prima mestruazione compare nella pubertà e prende il nome di
menarca.
251
BIOLOGIA C3
Passati i cinque giorni della fase mestruale, l’ipotalamo stimola l’ipofisi
a rilasciare due ormoni, l’ormone follicolostimolante (FSH) e l’ormone
luteinizzante (LH).
L’FSH induce la maturazione di uno o più follicoli nell’ovaia, ma solo
uno maturerà, inoltre induce i follicoli a produrre estrogeni, che
rilasciati nel sangue provocano l’ispessimento della mucosa uterina.
Questa fase prende il nome di fase follicolare per il ciclo ovarico e
corrisponde alla fase proliferativa del ciclo uterino. La fase follicolare
termina con la maturazione del follicolo e l’inizio dell’ovulazione.
Intorno al 13°-14° giorno inizia la fase ovulatoria del ciclo ovarico, gli
estrogeni stimolano l’ipofisi a rilasciare l’ormone luteinizzante (LH)
che agisce sul follicolo favorendo la maturazione e provocando
l’ovulazione (lo scoppio del follicolo con il rilascio dell’oocita
secondario nell’ovidutto). In questa fase la donna è fertile e se ha
rapporti sessuali l’oocita secondario può essere fecondato.
Dopo l’ovulazione inizia la fase luteinica o progestinica del ciclo
ovarico che corrisponde alla fase secretiva del ciclo uterino. Quello che
resta del follicolo scoppiato diventa il corpo luteo, una massa giallastra,
che produce progesterone che rilasciato nel sangue, provoca
l’ispessimento della mucosa uterina.
Gli elevati livelli di progesterone nel sangue bloccano la produzione, da
parte dell’ipofisi, di LH. Se l’oocita secondario non viene fecondato, il
corpo luteo, dopo 10-12 giorni dall’ovulazione, quindi intorno al 28°
giorno, degenera, di conseguenza si blocca la produzione di
progesterone e la mucosa uterina si sfalda provocando la mestruazione
(fase mestruale). I livelli bassi di progesterone inducono l’ipotalamo a
produrre i fattori di rilascio degli ormoni che stimolano l’ipofisi a
produrre FSH e LH e il ciclo ricomincia.
252
BIOLOGIA C3
Diagramma temporale del ciclo mestruale:
a - follicolo; b - follicolo maturo, c - ovulazione, d - corpo
luteo, e - corpo albicante, H O - Istologia ovarica, T temperatura corporea, O L - ormone luteinizzante, O P ormone Progesterone, O E - ormone estradiolo, O F-S ormone follicolo-stimolante, F - fase follicolare, O –
ovulazione, L - fase luteale, M – mestruazioni, E - istologia
endometriale.
253
BIOLOGIA C3
Se invece avviene la fecondazione, la cellula uovo fecondata (zigote) si
porta nell’utero e si impianta sull’endometrio, il corpo luteo non
degenera ma continua a produrre progesterone grazie alla produzione di
un altro ormone l’HCG coriogonadotropina rilasciato dalle cellule del
corion derivanti dalla cellula uovo, in questo caso le mestruazioni si
bloccano. Quindi le mestruazioni si verificano solo se la cellula uovo
non è stata fecondata.
L’ovulazione si verifica ogni mese a partire dalla pubertà fino all’età
della menopausa (circa 50 anni), in cui avviene il blocco
dell’ovulazione. In quest’arco di tempo la donna rilascerà circa 400
oociti secondari ma solo alcuni di essi potranno essere fecondati.
15.5 Fecondazione
Attraverso l’eiaculazione l’uomo immette nella vagina circa 120-400
milioni di spermatozoi, contenuti all’interno del liquido seminale. Gli
spermatozoi devono affrontare un lungo viaggio, risalire lungo l’utero e
arrivare all’ovidutto. Molti di essi si fermano prima, ma quelle poche
centinaia che riescono ad arrivare nell’ovidutto hanno pochissimo
tempo per cercare di entrare nell’oocita secondario. Quest’ultimo infatti
resterà nell’ovidutto soltanto due giorni mentre gli spermatozoi possono
vivere al massimo tre giorni. Pertanto la donna è fertile per pochi giorni
al mese.
Dopo aver raggiunto l’ovidutto non tutti gli spermatozoi riescono ad
entrare nell’oocita, soltanto uno riuscirà a penetrarvi. Il flagello spinge
lo spermatozoo nella zona pellucida dell’oocita secondario, ovvero lo
strato gelatinoso che avvolge la membrana plasmatica, in questa zona
l’acrosoma rilascia gli enzimi. Gli enzimi digeriscono lo strato
gelatinoso arrivando alla membrana plasmatica dell’oocita. Qui la
membrana plasmatica dello spermatozoo si fonde con quella dell’oocita
formando una membrana di fecondazione che funge da barriera per
l’entrata di altri spermatozoi (salvo eccezioni).
A questo punto lo spermatozoo perde la coda e solo il nucleo aploide si
dirige all’interno del citoplasma dell’oocita e va a fondersi con il suo
nucleo aploide. Avviene la fecondazione, cioè la fusione dei due nuclei
aploidi, che portano alla formazione di una cellula diploide, lo zigote,
254
BIOLOGIA C3
che avrà metà cromosomi di origine paterna e metà cromosomi di
origine materna.
Lo zigote allora viene spinto dalle ciglia dell’ovidutto verso l’utero,
impiegherà circa quattro, cinque giorni per raggiungerlo. Giunto
nell’utero si impianterà sull’endometrio che risulta ispessito grazie al
progesterone rilasciato dal corpo luteo e inizierà lo sviluppo
embrionale.
Nella maggior parte dei mammiferi, nei rettili, negli uccelli, la
fecondazione è interna, ovvero l’incontro tra i gameti avviene
all’interno del corpo della femmina, in particolare per la specie umana
avviene nell’ovidutto.
Nelle specie acquatiche può essere esterna: l’individuo femminile e
quello maschile rilasciano rispettivamente i gameti nell’ambiente
circostante (acqua) e l’incontro tra lo spermatozoo e la cellula uovo
avviene nell’acqua.
15.6 Sviluppo embrionale
Lo sviluppo embrionale consiste in una serie di divisione mitotiche che
trasformano lo zigote in individuo più complesso.
Lo sviluppo segue varie fasi. Dopo la fecondazione lo zigote va
incontro ad una serie di divisioni mitotiche che portano a formare tante
cellule più piccole, questa suddivisione è detta segmentazione, lo
zigote quindi si divide per mitosi in due cellule figlie, poi queste a loro
volta si dividono formandone quattro, poi otto e così via.
Il numero di divisioni mitotiche varia a seconda della specie e la
struttura derivante prende il nome di morula perché è somigliante al
frutto della mora, le singole cellule che formano tale struttura vengono
chiamate blastomeri. I blastomeri sono cellule indifferenziate in grado
di originare tutti i tessuti embrionali.
Nella specie umana la segmentazione avviene nell’ovidutto ed è la
morula che dopo circa quattro giorni dalla fecondazione, entra
nell’utero. La morula nell’utero continua a dividersi per mitosi. Dopo
circa sette giorni dalla fecondazione, al suo interno si forma una cavità e
questo tipo di struttura prende il nome di blastula, formata da circa 100
cellule, mentre la cavità, piena di liquido, prende il nome di blastocele.
A questo punto inizia l’impianto nella parete muscolare dell’utero e
255
BIOLOGIA C3
l’embrione viene chiamato blastocisti. Le cellule esterne al blastocisti
formano il trofoblasto che servirà a nutrire l’embrione, quelle interne al
blastocisti formano il nodo embrionale dal quale avrà origine
l’embrione vero e proprio. Attraverso le cellule del trofoblasto la
blastocisti aderisce all’endometrio (impianto dell’embrione). Queste
cellule vengono chiamate corion, da esse si sviluppano dei vasi
sanguigni (villi coriali) che si collegano con i vasi sanguigni della
madre formando la placenta e, attraverso questa, avvengono gli scambi
di ossigeno e sostanze nutritive dalla madre all’embrione e
l’eliminazione di anidride carbonica e sostanze di rifiuto dall’embrione
alla madre. Il cordone ombelicale lega l’embrione alla placenta.
Dopo l’impianto inizia la produzione dell’ormone coriogonadotropina
che stimola la produzione di progesterone per far ispessire la mucosa
uterina, bloccando le mestruazioni.
Dal nono giorno il nodo embrionale si accresce, forma il disco
embrionale, formato da uno strato superiore di cellule, epiblasto e da
uno strato inferiore di cellule, ipoblasto. Dalle cellule dell’epiblasto si
forma il sacco amniotico, contenente un liquido che protegge
l’embrione da urti. Da questo sacco durante la successiva fase della
gastrulazione, partirà un’estroflessione, allantoide, che formerà il
cordone ombelicale.
Dalle cellule dell’ipoblasto, si formerà il sacco vitellino che resta vuoto,
mentre negli uccelli o nei rettili contiene il tuorlo (proteine, lipidi e
carboidrati che nutrono l’embrione).
Dal sedicesimo giorno inizia la gastrulazione, ovvero sulle cellule
dell’epiblasto si forma un solco, linea primitiva, e le cellule
dell’epiblasto cominciano ad invaginarsi nel solco, così vengono a
trovarsi al di sotto dell’epiblasto ma al di sopra dell’ipoblasto. Queste
cellule formano il mesoderma, quelle dell’epiblasto l’ectoderma e
quelle che migrano sopra l’ipoblasto formeranno l’endoderma. Quindi
dalla migrazione delle cellule dell’epiblasto si formano i tre foglietti
embrionali dal quale derivano i tessuti dell’embrione. Questa struttura
prende il nome di gastrula.
256
BIOLOGIA C3
Blastula e gastrula
Nel punto in cui si ha l’invaginazione si formerà l’ano dalla parte
opposta la bocca.
Alla fine della gastrulazione inizia l’organogenesi ovvero la
formazione e il corretto posizionamento degli organi e quindi il
differenziamento cellulare, le cellule di ogni organo sono specializzate
nel compiere una determinata funzione.
Dall’ectoderma deriverà la pelle e il sistema nervoso, dal mesoderma si
formeranno i muscoli, l’apparato scheletrico, l’apparato circolatorio,
l’apparato escretore e riproduttore, dall’endoderma deriverà l’apparato
digerente e respiratorio.
Contemporaneamente all’organogenesi avviene la neurulazione,
ovvero la formazione del sistema nervoso: le cellule dell’ectoderma
cominciano ad ispessirsi e a formare la placca neurale la quale si piega e
si avvolge formando un tubo neurale che formerà il midollo spinale e
l’encefalo.
Il tubo si stacca dall’epidermide, le cellule della cresta neurale che lo
collegavano con l’epidermide migrano formando il tessuto nervoso,
altre migrano nella pelle formando cellule pigmentate, altre migrano in
altre regioni dell’embrione formando altri tipi di cellule.
L’organogenesi inizia con la gastrulazione e proseguirà fino a nove
settimane dalla fecondazione, quando l’embrione si chiamerà feto. Tutti
257
BIOLOGIA C3
gli organi sono già formati e da questo momento in poi fino alla fine
della gestazione tenderanno solo ad ingrandirsi e modellarsi.
Dopo la formazione degli organi inizia quindi l’accrescimento
corporeo, ovvero le cellule compiono una serie di divisioni mitotiche
che portano ad un aumento del numero di cellule, in realtà queste
divisioni iniziano nella fase di segmentazione e proseguono per tutto lo
sviluppo embrionale e dopo la nascita fino alla formazione
dell’individuo adulto.
Dopo l’organogenesi avviene anche la morfogenesi, ovvero un
processo che porta al modellamento degli organi. Si pensi ad esempio
alla formazione della mano che inizialmente assomiglia ad una pinna
ma grazie alla morte programmata delle cellule che si trovano tra le dita
(apoptosi) si raggiungerà la forma definitiva.
Dalla nona alla dodicesima settimana il feto inizia a crescere,
compaiono i genitali esterni ed i reni cominciano ad essere attivi e a
produrre la prima urina.
Verso la ventesima settimana il feto che misura circa 25 cm inizia a
muoversi nel liquido amniotico e la madre riesce a percepire i suoi
movimenti, in questo periodo è possibile stabilire il sesso del nascituro.
A ventidue settimane il feto misura circa 30 cm e in caso di parto
prematuro potrebbe sopravvivere con l’aiuto di specifiche attrezzature
mediche.
Durante le ultime settimane il feto aumenta di dimensioni fino ad
arrivare a circa 3 Kg. Trascorsi circa 260 giorni di gestazione, quindi
circa 40 settimane dalla fecondazione, il feto è pronto ad uscire dal
corpo materno e inizia la fase del parto. Cominciano le contrazioni della
muscolatura uterina, in seguito al rilascio dell’ormone ossitocina da
parte dell’ipofisi. A seguito delle contrazioni il sacco amniotico, in cui
galleggia il feto, si rompe e fuoriesce il liquido (rottura delle acque), la
cervice si dilata e le contrazioni diventano sempre più forti, la testa del
bambino inizia a spingere contro la cervice dell’utero e ne consente
un’ulteriore dilatazione. Le contrazioni possono durare anche più di 12
ore o se si tratta di un secondo parto soltanto poche ore.
Appena la cervice raggiunge una dilatazione di circa 10 cm, dopo pochi
minuti il bambino fuoriesce e viene spinto lungo la vagina ed espulso
all’esterno. La prima parte che fuoriesce dalla vagina è la testa, infine
258
BIOLOGIA C3
altre contrazioni uterine provocano la fuoriuscita della placenta e del
cordone ombelicale che viene reciso. Da questo momento in poi il
bambino deve attivare i polmoni, attraverso il pianto immagazzina aria
nei polmoni ed inizia la respirazione.
Durante la gravidanza il progesterone stimola lo sviluppo delle
ghiandole mammarie e l’atto di suzione da parte del bambino appena
nato, stimola la produzione di prolattina, un ormone rilasciato
dall’ipofisi, che induce le ghiandole mammarie a produrre latte.
Il parto fin qui descritto è un parto naturale, in alcuni casi però il feto
può non essere in posizione, ovvero non si trova con la testa in
direzione della cervice (posizione cefalica) ma si trova con la parte
inferiore del corpo rivolta verso la cervice (posizione podalica) oppure
la madre non è in grado di sostenere il parto in quanto potrebbe soffrire
di patologie come il diabete, nefropatia ecc. In questi casi si ricorre al
parto cesareo, si pratica cioè un’incisione sotto l’addome della madre e
si preleva il bambino direttamente dall’utero, tale operazione viene fatta
in anestesia locale o totale.
Si ricorre al parto cesareo anche quando il parto è gemellare, in questo
caso infatti è difficile che entrambi i feti assumano una posizione
corretta (posizione cefalica).
La formazione di due feti avviene al momento della prima
segmentazione, ovvero dopo la fecondazione. Lo zigote si divide per
mitosi formando due cellule, se queste si separano, ognuna di esse
originerà un embrione, pertanto si formeranno due gemelli identici
(monozigote), con lo stesso corredo cromosomico e lo stesso sesso.
I gemelli fraterni o eterozigote si formano in seguito alla fecondazione
di due oociti secondari originatesi da una doppia ovulazione che
vengono fecondati da due diversi spermatozoi, hanno quindi un diverso
corredo cromosomico e possono essere di sesso diverso.
15.7 Metodi contraccettivi
La specie umana a differenza degli altri mammiferi e più in generale
dagli altri animali, è in grado di avere rapporti sessuali non finalizzati
alla riproduzione ma semplicemente per provare piacere e per rafforzare
il legame di una coppia. La donna accetta rapporti sessuali anche al di
fuori del periodo fertile. Questo non succede nel mondo animale. Inoltre
259
BIOLOGIA C3
solo nella nostra specie è presente l’orgasmo femminile, esso aumenta
la probabilità di fecondazione e nel maschio coincide con
l’eiaculazione.
Siccome nella nostra specie la copulazione non è sempre finalizzata alla
procreazione; si utilizzano dei metodi più o meno efficaci per evitare
gravidanze indesiderate oltre che per difendersi da malattie
sessualmente trasmissibili, come l’AIDS, il papilloma virus, l’herpes
virus, ecc. Di seguito vengono riportati i principali metodi
contraccettivi, valutando anche la loro efficacia.
Metodo Ogino Knaus, metodo della temperatura basale e metodo di
Billings: basati tutti sull’astensione dai rapporti sessuali durante il
periodo fertile ovvero l’ovulazione. La donna deve avere un ciclo
mestruale molto regolare per poter individuare perfettamente il periodo
dell’ovulazione. Il periodo dell’ovulazione viene calcolato su un ciclo
perfettamente regolare, della durata di 28 giorni. In questo caso il
periodo fertile risulta essere tra il decimo e il diciottesimo giorno del
ciclo: in quest’arco di tempo bisognerebbe astenersi da rapporti
sessuali.
Con il secondo metodo l’ovulazione può essere individuata misurando
ogni giorno la temperatura basale che subisce un aumento di mezzo
grado o un grado nel periodo ovulatorio
Con il terzo metodo l’ovulazione viene individuata osservando le
secrezioni vaginali che diventano più viscose e chiare nei giorni
precedenti l’ovulazione.
Tali metodi non proteggono da malattie a trasmissione sessuale e
presentano circa il 20% di probabilità di insuccesso durante il primo
anno di utilizzo.
Coito interrotto: Si affida a un forte autocontrollo dell’uomo che deve
ritrarre il pene dalla vagina prima dell’eiaculazione, presenta circa il
20% di insuccesso durante il primo anno di utilizzo, in quanto le
secrezioni liquide che fuoriescono dal pene prima dell’eiaculazione
possono contenere spermatozoi. Inoltre è un metodo che non protegge
dalle malattie a trasmissione sessuale.
Metodi di barriera: sono quei metodi che impediscono l’incontro tra i
due gameti (cellula uovo e spermatozoi), come ad esempio il
preservativo, una sottile guaina di lattice che si applica sul pene subito
260
BIOLOGIA C3
dopo l’erezione e viene tolto subito dopo l’eiaculazione, impedisce
l’entrata degli spermatozoi nella vagina.
Il preservativo oltre ad essere un efficace metodo contraccettivo, ha
infatti circa il 12% di probabilità di insuccesso durante il primo anno di
utilizzo, protegge anche dalle malattie a trasmissione sessuale. La
probabilità di insuccesso è legata alla possibilità di rottura durante il
rapporto sessuale oppure ad una errata applicazione.
Il diaframma invece è una membrana di gomma che viene applicata
sulla cervice dell’utero per impedire l’ingresso agli spermatozoi ed è
accompagnata ad una crema spermicida. Attualmente in Italia è vietata
la vendita di spermicidi in quanto considerati tossici, la probabilità di
insuccesso è del 2%-12% durante il primo anno di utilizzo ed è legata
ad una errata applicazione.
Contraccettivi ormonali: consistono nell’assunzione di ormoni che
impediscono l’ovulazione e la fecondazione. La pillola estroprogestinica contiene ormoni (progesterone ed estrogeni) che inibiscono
la produzione di LH impedendo la maturazione del follicolo.
L’assunzione viene sospesa per sette giorni al mese, arco di tempo nel
quale la bassa concentrazione di estrogeni e progesterone provoca il
flusso mestruale, comporta rischi di malattie cardiovascolari, nausee e
altri effetti collaterali, pertanto va usata sotto prescrizione medica.
Le minipillole, sono pillole anticoncezionali più leggere, nel senso che
hanno meno effetti collaterali, contengono solo il progesterone e
bloccano l’impianto dello zigote nell’utero.
La pillola del giorno dopo, va assunta entro 72 ore dal rapporto sessuale
non protetto, contiene un elevata quantità di estroprogestinici che
bloccano l’ovulazione o la posticipano in modo da farla avvenire
quando gli spermatozoi non sono più presenti nell’ovidotto. Se
l’ovulazione è già avvenuta e quindi c’è stata la fecondazione questa
pillola non ha nessun effetto.
Gli ormoni contraccettivi possono essere assunti anche attraverso dei
cerotti che applicati sulla pelle rilasciano progesterone ed estrogeni.
In tutti i casi descritti la probabilità di insuccesso è molto bassa circa il
3% durante il primo anno di utilizzo. Questi metodi non proteggono
dalle malattie a trasmissione sessuale.
261
BIOLOGIA C3
Dispositivo intrauterino o spirale: Consiste nell’introduzione, da parte
del medico, di un dispositivo nell’utero che impedisce l’impianto dello
zigote nell’utero, comporta effetti collaterali come infezioni uterine,
rischio di gravidanze extra uterine ed è sconsigliato alle persone che
ancora non hanno avuto figli.
Sterilizzazione: metodi che producono sterilità irreversibile che vanno
effettuati solo se si è convinti di non volere figli in futuro. La
vasectomia è un intervento chirurgico che consiste nel tagliare e legare i
vasi deferenti per impedire il trasporto degli spermatozoi nell’uretra, la
probabilità di insuccesso è di 0,15%.
La legatura delle tube consiste nel tagliare e legare gli ovidotti per
impedire alla cellula uovo di raggiungere l’utero. La probabilità di
insuccesso è di 0,5 % .
In caso di gravidanze indesiderate è possibile comunque effettuare
l’aborto. In Italia è consentito solo entro 90 giorni dal concepimento ed
è regolato dalla legge 22 maggio 1978, n°194. Si tratta di
un’interruzione volontaria di una gravidanza, le minorenni hanno il
diritto di abortire solo con il consenso di chi esercita la patria potestà.
In caso di malformazioni al feto o rischio di salute per la madre è
possibile effettuare l’aborto entro 180 giorni dal concepimento (aborto
terapeutico).
L’interruzione della gravidanza può avvenire anche per cause naturali in
questo caso si parla di aborto spontaneo.
15.8 Tecniche per aumentare la fertilità
I metodo contraccettivi sono finalizzati ad impedire la fecondazione in
modo da evitare gravidanze indesiderate, le tecniche per aumentare la
fertilità sono invece finalizzate ad aumentare la probabilità di
concepimento. Esistono farmaci per la fertilità contenenti ormoni che
stimolano l’ovulazione.
La sterilità maschile può essere causata da un’incapacità di movimento
degli spermatozoi. Pertanto, per incrementare la fertilità, si può
ricorrere all’inseminazione artificiale intrauterina che consiste nel
prelevare lo sperma dal partner della donna e inserirlo nell’utero.
La sterilità femminile è dovuta soprattutto a ovulazioni poco frequenti o
assenti, pertanto per incrementare la fertilità si ricorre alla fecondazione
262
BIOLOGIA C3
in vitro che consiste nel fecondare l’oocita al di fuori del corpo della
donna. Per prima cosa si utilizzano ormoni, quali gonadotropine, che
stimolano la maturazione di più follicoli. Successivamente gli oociti
maturi vengono prelevati dall’ovaio, mediante un ago e sistemati su una
capsula Petri, vengono aggiunti gli spermatozoi che vanno a fecondare
diversi oociti formando vari zigoti.
Gli zigoti, appena iniziano la segmentazione e precisamente allo stadio
di otto cellule, vengono inseriti nella parete uterina nella speranza che
almeno uno si impianti e continui lo sviluppo embrionale.
Il numero di zigoti da introdurre viene valutato caso per caso anche se si
consiglia di introdurre al massimo tre zigoti, quelli che “avanzano”
possono essere crioconservati in azoto liquido.
La probabilità di insuccesso ai primi tentavi è molto alta, inoltre si cerca
di non ripetere la procedura in quanto somministrare gonadotropine è
rischioso per la salute della donna e pertanto è necessario conservare gli
zigoti che si sono formati.
In Italia esistono delle limitazioni sulla fecondazione in vitro
regolamentate dalla legge del 19 Febbraio 2004 n°40, limitazioni circa
il numero di embrioni da produrre, l’impossibilità di crioconservarli,
l’obbligo di trasferirli tutti contemporaneamente in utero, l’impossibilità
di utilizzare sperma che non sia del proprio partner.
263
BIOLOGIA C3
Approfondimenti
Uso appropriato del sangue da cordone ombelicale
http://www.salute.gov.it/speciali/piSpecialiNuova.jsp?id=86
Uso appropriato delle cellule staminali del sangue del cordone
ombelicale
http://www.salute.gov.it/imgs/C_17_primopianoNuovo_228_documenti
_itemDocumenti_0_fileDocumento.pdf
Animazione 3D della gastrulazione
http://learningobjects.wesleyan.edu/gastrulation/animations.php?ani=3
D
Evoluzione dell’embrione umano, video
http://www.youtube.com/watch?v=UgT5rUQ9EmQ
264
BIOLOGIA C3
Indice delle figure e fonti
Membrana plasmatica
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Cell_membrane_detailed_diagram_4_it.svg
Effetto della pressione osmotica sulle cellule del sangue in funzione della tonicità
della soluzione
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Osmotic_pressure_on_blood_cells_diagram-it.svg
Effetto dell’osmosi nelle cellule vegetali
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Turgor_pressure_on_plant_cells_diagram-it.svg
Alcune delle possibilità di movimento di molecole tra citoplasma e spazio
extracellulare.
http://it.wikipedia.org/wiki/File:TrasportoMembrana.png
Modello della diffusione facilitata, immagine personalizzata da
http://xfiles.farmacia.uniba.it/farmol/didattica_web/99/argomenti/2t%20Fattori%20di
%20moltiplicazione%20batterica_file/frame.htm
Pompa sodio-potassio
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Scheme_sodium-potassium_pump-en.svg
Trasporto mediante vescicole
http://it.wikipedia.org/w/index.php?title=File:Endocytosis_types-it.svg&page=1
Metabolismo
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Metabolismo.png
Diagramma di una reazione catalitica
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Diagramma_attivazione.svg
Inibizione competitiva
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Inibizione_competitiva.svg
Glicoli, ispirata a
http://www.webalice.it/r.taddei/glicolisi.htm
Glicolisi nel citoplasma
http://en.wikipedia.org/wiki/File:CellRespiration.svg
Schema di un mitocondrio
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Mitochondrie.svg
Ciclo di Krebs
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Ciclo_di_Krebs.svg
Fosforilazione ossidativa
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Mitochondrial_electron_transport_chain%E2%80%9
4Etc4.svg
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Mitochondrial_electron_transport_chain_short_PL.sv
g
Le reazioni della fase luce dipendente della fotosintesi clorofilliana
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Reazioni_luce-dipendenti.png
Divisione cellulare
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Three_cell_growth_types.png
Differenti livelli di condensazione del DNA
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Chromatin_chromosome.png
265
BIOLOGIA C3
Rappresentazione del cariotipo umano
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Karyotype.png
http://www.scienzagiovane.unibo.it/maschio-femmina/4-ermafroditismo.html
Schema del ciclo cellulare
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Cell_Cycle_2.svg
Le fasi della duplicazione cellulare
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Eventi_principali_della_mitosi.svg
Due nuclei cellulari in profase
http://en.wikipedia.org/wiki/File:3D-SIM-3_Prophase_3_color.jpg
Cromosomi in metafase
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Metaphase_chromosomes.jpg
Scissione binaria batterica
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Binary_Fission.png
Fasi della meiosi
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Meiosi.svg
Rappresentazione del crossing-over
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Crossing-over_scheme_PL.svg
Fiori di pisello
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Snow_pea_flowers.jpg
Quadrato di Punnett
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Punnett_square_mendel_flowers.svg
Test cross o reincorcio
http://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%8C%8C%EC%9D%BC:Test-cross1.jpg
Dominanza incompleta
http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Mendelian_inheritance_intermed.svg
&filetimestamp=20100522135032
Trasmissione autosomica dominante e recessiva
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Autodominant-it.png
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Autorecessive-it.svg
Griffith experiment*
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Griffith_experiment.svg
Hershey–Chase experiment
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/53/HersheyChaseEx.png
DNA structure and bases
http://en.wikipedia.org/wiki/File:DNA-structure-and-bases.png
Replicazione del DNA
http://it.wikipedia.org/wiki/File:DNA_replication_split.svg
DNA replication
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8f/DNA_replication_en.svg
Trascription
http://simple.wikipedia.org/wiki/Transcription_(genetics)
Ciclo vitale di un mRNA in una cellula eucariote
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fb/MRNA-interaction.png
266
BIOLOGIA C3
Rappresentazione schematica della struttura del tRNA
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/19/Schema_ARNt_448_658.png
Globuli rossi resi falciformi
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/92/Sicklecells.jpg
Tipi di mutazione
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/79/Types-of-mutation.png
Tipi di epitelio
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Illu_epithelium_it.png
Schema dell’epidermide in sezione
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4e/Skin-IT.jpg
Lo scheletro umano
http://it.wikipedia.org/wiki/Scheletro_(anatomia_umana)
Osso lungo umano
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/94/Illu_long_bone.jpg
Lista dei muscoli del corpo umano
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8c/Skeletal_muscles_homo_sapien
s.JPG
Microanatomia interna di un muscolo scheletrico
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Illu_muscle_structure.jpg
Tipi di muscoli
http://en.wikipedia.org/wiki/Muscle
Modello del funzionamento della contrazione muscolare
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6e/Sarcomere.svg
Struttura atomica di glucosio e fruttosio C6H12O6
http://it.wikipedia.org/wiki/File:D-glucopiranosio_struttura.svg
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Fruttosio.png
Tavola degli amminoacidi
http://dalloliogm.wordpress.com/2007/11/05/tavola-periodica-degli-aminoacidi/
La nuova piramide alimentare
http://www.fondazionefegato.it/Laprevenzione/Alimentazione/Piramidealimentare.asp
x
Spugna marina (Aplysina aerophoba)
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Aplysina_aerophoba.jpg
Schema dell’apparato digerente umano
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Digestive_system_diagram_it.svg
Endoscopia di uno stomaco normale
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Stomach_endoscopy_1.jpg
Villi intestinali
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Small_intestine_low_mag.jpg
Intestino crasso
http://it.wikipedia.org/wiki/Colon
Sangue umano osservato al microscopio elettronico
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Blood_smear.jpg
267
BIOLOGIA C3
Circolazione del sangue nel cuore umano
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Diagram_of_the_human_heart_(cropped)-it.png
Schema dell’apparato circolatorio umano
http://it.wikipedia.org/wiki/Circolazione_sanguigna
Fisiologia dell’emoglobina
http://it.wikipedia.org/wiki/File:FisiologiaEmoglobina.jpg
Schema dell’apparato respiratorio
http://it.wikipedia.org/wiki/Sistema_respiratorio
Anticorpo
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Anticorpo.svg
Sintomi dell’AIDS
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Symptoms_of_acute_HIV_infection-IT.svg
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Symptoms_of_AIDS-IT.svg
Gruppi sanguigni
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Gruppi_sanguigni_AB0_it.svg
Ipotalamo
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b2/Illu_diencephalon_.jpg
Posizione dell’ipofisi
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Hypophyse.png
Sistema endocrino tiroideo
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Thyroid_system-IT.png
Sistema escretore
http://it.wikipedia.org/wiki/Apparato_urinario
Parti del rene
http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Kidney_PioM.png?uselang=it
Sistema nervoso
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Nervous_system_diagram-it.png
Nodi di Ranvier
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Nerve_copy.jpg
Diagramma completo di una cellula neuronale
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Complete_neuron_cell_diagram_it.svg
Cervelletto (la parte evidenziata in viola)
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Cerebellum_NIH.png
Suddivisione in lobi della corteccia telenfalica
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Brain_diagram_it.svg
Aree di Brodmann
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Brodmann_areas.png
Sezione di midollo spinale
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Gray664.png
Sistema nervoso periferico
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Nervous_system_diagram-it.png
Sistema nervoso autonomo
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Gray839-it.png
268
BIOLOGIA C3
Anatomia dell’orecchio
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Ear-anatomy.png
Parti del corpo
http://it.wikipedia.org/wiki/Occhio
Apparato riproduttore maschile
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/2e/Male_reproductive_system_late
ral_nolabel.png
Apparato riproduttore femminile
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/it/d/d6/Genitali_femminili.gif
Spermatozoo
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Complete_diagram_of_a_human_spermatozoa_en.svg
Vista frontale dell’apparato riproduttore femminile
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Apparato_genitale_femminile.png
Diagramma temporale del ciclo mestruale
http://it.wikipedia.org/wiki/File:MenstrualCycle_gen.svg
Blastula e gastrula
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Blastula.png
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BIOLOGIA C3
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